KR20140101705A - Three-Dimensional Semiconductor Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same - Google Patents

Three-Dimensional Semiconductor Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same Download PDF

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KR20140101705A
KR20140101705A KR1020140083105A KR20140083105A KR20140101705A KR 20140101705 A KR20140101705 A KR 20140101705A KR 1020140083105 A KR1020140083105 A KR 1020140083105A KR 20140083105 A KR20140083105 A KR 20140083105A KR 20140101705 A KR20140101705 A KR 20140101705A
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Abstract

Provided are three-dimensional semiconductor devices having a cache memory array. The cache memory array may be configured to save at least page-unit data. Writing and/or reading actions using the cache memory array can be performed to effectively reduce data disturbance against a main memory array, and enables increased speed of action.

Description

챕터 데이터가 저장될 수 있는 캐쉬 메모리 어레이를 구비하는 3차원 반도체 장치 및 그 동작 방법{Three-Dimensional Semiconductor Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional semiconductor device having a cache memory array in which chapter data can be stored, and a method of operating the same.

본 발명은 3차원 메인 메모리 어레이와 1차원 페이지 버퍼 사이에 제공된 2차원 캐쉬 메모리 어레이를 구비하는 3차원 반도체 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional semiconductor device having a two-dimensional cache memory array provided between a three-dimensional main memory array and a one-dimensional page buffer.

3차원적으로 배열되면서 재기록이 가능한 메모리 셀들을 포함하는, 다양한 3차원 메모리 장치들이 제안되어 왔다. 예를 들면, 3차원 플래쉬 메모리 장치들 및 3차원 크로스-포인트 메모리 장치들이 2차원 메모리 장치들에서의 기술적 한계를 극복하기 위해 연구되고 있다. 3차원 메모리 장치들은 기판 상에 차례로 적층된 복수의 수평 전극들(예를 들면, 3D 수직 채널 낸드 플래시 장치의 워드라인들)을 포함할 수 있다. 연결 구조에서의 복잡성을 피하기 위해, 상기 수평 전극들 중에서 동일한 높이에 위치하는 복수의 것들은 전기적으로 서로 연결된다. 이러한 연결 구조의 결과로서, 3차원 메모리 장치들은 프로그램 및 읽기 교란 문제에 취약하다. A variety of three-dimensional memory devices have been proposed, including three-dimensionally arranged rewritable memory cells. For example, three-dimensional flash memory devices and three-dimensional cross-point memory devices are being studied to overcome the technical limitations in two-dimensional memory devices. The three-dimensional memory devices may include a plurality of horizontal electrodes (e.g., word lines of a 3D vertical channel NAND flash device) stacked in turn on a substrate. In order to avoid the complexity in the connection structure, a plurality of the same horizontal electrodes are electrically connected to each other. As a result of this connection structure, three-dimensional memory devices are vulnerable to program and read disturb problems.

본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 교란을 억제할 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operation that can suppress write and / or read disturbances.

본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operation that can improve the speed of write and / or read operations.

본 발명의 일부 실시예들은 에너지 소모를 줄일 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operation that can reduce energy consumption.

본 발명의 실시예들에 따른 3차원 반도체 장치들은 페이지 이상의 데이터(예를 들면, 2차원적 챕터 데이터)를 저장하도록 구성된 캐쉬 메모리 어레이를 구비한다. 상기 캐쉬 메모리 어레이는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이와 주변 회로 영역(예를 들면, 비트라인 디코더 또는 페이지 버퍼) 사이에 제공된다. 상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용은, 3차원의 메인 메모리 어레이와 1차원의 페이지 버퍼 사이의 차원 차이에 의해 초래되는, 데이터 교환에서의 기술적 어려움들(예를 들면, 쓰기/읽기 교란 또는 불필요한 에너지 소모)을 해결하는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이가 상기 메인 메모리 어레이에 비해 빠른 동작 속도를 갖는 메모리 요소들을 사용하여 구현될 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이를 사용하지 않는 경우에 비해, 상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 및 쓰기 동작의 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. The three-dimensional semiconductor devices according to the embodiments of the present invention include a cache memory array configured to store data (for example, two-dimensional chapter data) over a page. The cache memory array is provided between a main memory array including three-dimensionally arranged memory cells and a peripheral circuit area (for example, a bit line decoder or page buffer). The use of the cache memory arrays has the technical difficulties (e.g., write / read disturbance or unnecessary energy consumption) in the data exchange caused by the dimensional difference between the three-dimensional main memory array and the one- . In addition, when the cache memory array is implemented using memory elements having a faster operating speed than the main memory array, the read and write operations to the main memory array Can be remarkably improved.

상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용에 의해, 3차원 메모리 장치들에서의 쓰기 및/또는 읽기 교란 그리고 에너지 소모를 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있다. The use of the cache memory array can effectively reduce write and / or read disturbances and energy consumption in three-dimensional memory devices, as well as improve the speed of write and / or read operations.

도 1는 일반적인 3차원 메모리 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 2는 메인 메모리 어레이의 다른 두 구조들을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 일 예를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 배치 구조들을 예시적으로 도시하는 표이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 다른 예들을 도시하는 사시도들이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들의 일 측면을 개략적으로 보여주는 사시도들이다.
도 13은 메인 메모리 어레이의 계층 구조를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 14는 비트라인들을 통해 수행되는 데이터 전송 과정의 일 측면을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치에서 수행되는 동작들의 일부를 도시하는 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작들이 수행되는 방법을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 읽기 동작의 한 예를 보여주는 도면들이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 쓰기 동작의 한 예를 보여주는 도면들이다.
도 22 및 도 23은 각각 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 다른 동작들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 24 내지 도 29는 변형된 동작 방법들 또는 이들의 조합을 통해 수행되는 데이터 처리 방법들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 30 내지 도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작 단계들의 기술적 특징들의 일부를 예시적으로 설명하기 위한 표들이다.
도 33은 단위 캐쉬 메모리들을 포함하는 캐쉬 셀 어레이를 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 34 및 도 35는 단위 캐쉬 메모리의 가능한 구조들의 일부를 개략적으로 그리고 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 36은 캐쉬 셀들로 사용될 수 있는 메모리 요소들을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 37은 메인 메모리 어레이의 가능한 구조들의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작에서의 일 측면을 설명하기 위한 표이다.
도 39 내지 도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 44 내지 도 46은 본 발명의 변형된 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 47 내지 도 53은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 54 내지 도 57은 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 58은 CM-CM 복사의 한 예를 도시하는 도면이다.
도 59 및 도 60은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도들이다.
도 61 내지 도 65는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 도면들이다.
도 66은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 67은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 68은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치를 도시하는 개략 사시도이다.
도 69 내지 도 72는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 반도체 메모리 장치들의 일부 예들을 도시하는 회로도들이다.
도 73 및 도 74는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 칩들을 예시적으로 도시하는 개략적인 평면도들이다.
도 75 및 도 76은, 각각, 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들을 포함하는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 도시하는 블록도 및 사시도이다.
도 77은 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 동작 방법들을 교란 횟수의 측면에서 비교한 그래프이다.
도 78 및 도 79은 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 읽기 및 쓰기 동작들 사이의 소요 시간들을 비교한 그래프들이다.
도 80은 본 발명에 따른 메모리 장치를 포함하는 전자 제품을 도시하는 개략도이다.
Figure 1 is a schematic perspective view showing a typical three-dimensional memory device.
2 is a diagram showing two other structures of a main memory array.
3 is a schematic perspective view illustrating an example of three-dimensional memory devices according to embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a table illustrating an exemplary arrangement of three-dimensional memory devices according to embodiments of the present invention.
5-7 are perspective views illustrating other examples of three-dimensional memory devices according to embodiments of the present invention.
8 to 12 are perspective views schematically showing one side of main and cache memory arrays according to embodiments of the present invention.
13 is a diagram exemplarily showing a hierarchical structure of a main memory array.
14 is a diagram illustrating an aspect of a data transfer process performed through bit lines.
15 is a diagram showing a part of operations performed in a three-dimensional memory device according to embodiments of the present invention.
Figures 16 and 17 are illustrations of how the operations of a three-dimensional memory device according to embodiments of the present invention may be performed.
FIGS. 18 and 19 are views showing an example of a read operation of the three-dimensional memory device according to the embodiments of the present invention.
20 and 21 are views showing an example of a write operation of the three-dimensional memory device according to the embodiments of the present invention.
Figures 22 and 23 are illustrations of other operations of a three-dimensional memory device, in accordance with embodiments of the present invention, respectively.
FIGS. 24-29 are illustrations of data processing methods performed through modified operating methods or combinations thereof.
Figures 30-32 are tables for illustrating some of the technical features of operating steps of a three-dimensional memory device according to embodiments of the present invention.
33 is a circuit diagram exemplarily showing a cache cell array including unit cache memories.
Figures 34 and 35 are diagrams that schematically and illustratively show some of the possible structures of a unit cache memory.
Figure 36 is an exemplary illustration of memory elements that may be used as cache cells.
37 is an exemplary illustration of a portion of possible structures of a main memory array.
38 is a table for explaining one aspect of the operation of the three-dimensional memory device according to the embodiments of the present invention.
FIGS. 39 to 43 are views for explaining the operation of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
44 to 46 are views for explaining modified embodiments of the present invention.
47 to 53 are views for explaining the operation of the semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
54 to 57 are views for explaining the operation of the semiconductor device according to another modified embodiment of the present invention.
58 is a diagram showing an example of CM-CM copying.
59 and 60 are perspective views showing a semiconductor device according to some embodiments of the present invention.
61 to 65 are views showing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 66 is a view exemplarily showing a semiconductor device and a part of its operation in accordance with still another embodiment of the present invention. FIG.
67 is a diagram schematically illustrating paths of three-dimensional memory devices and operating currents according to further embodiments of the present invention.
68 is a schematic perspective view showing a semiconductor memory device according to some embodiments of the present invention.
69 to 72 are circuit diagrams showing some examples of three-dimensional semiconductor memory devices according to some embodiments of the present invention.
73 and 74 are schematic plan views illustrating, by way of example, semiconductor chips according to some embodiments of the present invention.
Figures 75 and 76 are block and perspective views, respectively, illustrating, illustratively, embodiments of the present invention including distributed partial cache memory arrays, respectively.
77 is a graph comparing the embodiments of the present invention and the operation methods according to the prior art in terms of the number of disturbance times.
Figures 78 and 79 are graphs comparing the time required between embodiments of the present invention and read and write operations according to the prior art.
80 is a schematic diagram showing an electronic product including a memory device according to the present invention.

본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objects, other objects, features and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 또한, 도면의 구성 요소들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
In this specification, when it is mentioned that a film (or layer) is on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate, or a third film (Or layer) may be interposed. In addition, the size, thickness, etc. of the constituent elements of the drawings may be exaggerated for clarity. It should also be understood that although the terms first, second, third, etc. may be used in various embodiments herein to describe various regions, films (or layers), etc., It should not be limited. These terms may only be used to distinguish any given region or film (or layer) from another region or film (or layer). Thus, the membrane referred to as the first membrane in one embodiment may be referred to as the second membrane in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. The expression " and / or " is used herein to mean including at least one of the elements listed before and after. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

한국 특허 번호 10-2012-0129303, 10-2012-0123938, 및 10-2012-0119179에 개시된 내용들은 이 출원의 일부로서 포함된다. Korean Patent No. 10-2012-0129303, 10-2012-0123938, and 10-2012-0119179 are incorporated herein by reference.

여기에서 언급되는 기술 용어들은 아래의 의미로서 사용될 수 있다. 비트라인은 메모리 셀에 저장된 정보(즉, 전기적 신호)를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로, 디코더 또는 페이지 버퍼 등)으로 전송하는데 이용되거나 외부 데이터를 메모리 셀로 전송하는 데 이용되는 신호 전송 라인을 의미한다. 워드라인은 하나의 비트라인에 접속하는 복수의 메모리 셀들 중의 일부를 선택하는데 이용되는 신호를 전송하도록 구성된 라인을 의미한다. The technical terms referred to herein may be used with the following meanings. The bit line may be used to transfer information stored in a memory cell (i.e., an electrical signal) to a peripheral circuit (e.g., a sensing circuit, a decoder, a page buffer, or the like), or a signal transmission line used to transfer external data to a memory cell it means. A word line means a line configured to transmit a signal used to select some of a plurality of memory cells connected to one bit line.

메모리 셀은 전하 저장이 가능한 물질 또는 박막 구조, 가변 저항 특성을 나타내는 물질 또는 박막 구조(예를 들면, PCM, MTJ, 저항성 메모리 요소)를 포함하는 영역을 의미할 수 있다. 하지만, 본 발명은 특정한 유형의 메모리 셀에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 메모리 셀의 특성에 기초하여, 본 발명의 실시예들은 더욱 세분화되고 또한 다양화될 수 있다. A memory cell may refer to a region containing a material or thin film structure capable of charge storage, a material exhibiting variable resistance characteristics, or a thin film structure (e.g., PCM, MTJ, resistive memory element). However, the present invention is not limited to a particular type of memory cell, and based on the characteristics of the memory cell being used, embodiments of the present invention may be further subdivided and diversified.

인접하는 메모리 셀들은 공간적으로 서로 분리된 국소화된 패턴들의 형태로서 또는 서로 연결된 적어도 일부분을 포함하는 구조로서 제공될 수 있다. Adjacent memory cells may be provided in the form of spatially separated localized patterns or as a structure comprising at least a portion connected to each other.

배선 또는 와이어는 낮은 비저항을 갖는 물질로 형성되는 도전 패턴을 의미할 수 있다. 예를 들면, 이들은 (이에 한정되는 것은 아니지만) 금속 또는 고농도의 반도체 물질일 수 있지만, 유기물, (나노 튜브 또는 그래핀 등과 같은) 탄소 나노 구조체, 또는 몰리브덴 황화물(molybdenum sulfide)가 상기 배선 또는 와이어를 구현하기 위해 사용될 수도 있다. The wiring or wire may mean a conductive pattern formed of a material having a low resistivity. For example, they may be (but are not limited to) metal or semiconductor materials of high concentration, but may be organic materials, carbon nanostructures (such as nanotubes or graphene), or molybdenum sulfides, It can also be used to implement.

일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로와의 데이터 교환은 광학적 신호의 형태로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 배선 또는 상기 비트라인은 광 도파로의 형태로 제공되고, 상기 주변회로는 스타커플러 등과 같은 다중화기(multiplexer)를 포함할 수 있다. According to some embodiments, the exchange of data with the peripheral circuit may be in the form of an optical signal. In this case, the wiring or the bit line is provided in the form of an optical waveguide, and the peripheral circuit may include a multiplexer such as a star coupler.

비록, 도면에서, 'F'는 해당 요소가 전기적으로 플로팅 상태에 있음을 나타내기 위해 사용되었지만, 이는 설명의 간결함을 위한 표기법일 뿐, 해당 요소에는 이를 경유하는 전류 경로가 생성되는 것을 방지할 수 있는 전압이 인가될 수도 있다.
Although, in the figures, 'F' is used to indicate that the element is electrically floating, it is only a notation for the sake of clarity of description, and the element can be prevented from generating a current path through it A voltage may be applied.

도 1는 일반적인 3차원 메모리 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 3차원 메모리 장치는, 기판(SUB) 상에 제공된 메인 메모리 어레이(MMA) 및 비트라인 구조체(BLS)를 포함한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들 및 상기 메모리 셀들을 연결하는 내부 라인들을 포함할 수 있다. Figure 1 is a schematic perspective view showing a typical three-dimensional memory device. Referring to FIG. 1, a typical three-dimensional memory device includes a main memory array (MMA) and a bit line structure (BLS) provided on a substrate SUB. The main memory array (MMA) may include three-dimensionally arranged memory cells and internal lines connecting the memory cells.

예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 A-유형 또는 B-유형의 구조로 제공될 수 있다. 상기 A-유형의 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다행 및 다열 구조를 형성하면서 (즉, 2차원적으로) 상기 기판(SUB) 상에 배열되는 수직 라인들(VL), (2) 다층 및 다열 구조를 형성하면서 상기 수직 라인들(VL)을 가로지르는 복수의 수평 라인들(HL), 및 (3) 상기 수직 및 수평 라인들(VL, HL)의, 3차원적으로 배열된, 교차점들에 제공되는 메인 메모리 셀들(이하, 메모리 셀들)(MC)을 포함할 수 있다. 상기 B-유형의 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다층 및 다열 구조를 형성하는 제 1 수평 라인들(HLx), (2) 다층 및 다행 구조를 형성하는 제 2 수평 라인들(HLy), 및 (3) 이들의 교차점들에 제공되는 상기 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 상기 수직 라인들(VL) 또는 상기 수평 라인들(HL, HLx, HLy)은 상기 비트라인 구조체(BLS)를 경유하여, 주변 회로에 전기적으로 연결될 수 있다.
For example, as shown in FIG. 2, the main memory array (MMA) may be provided in an A-type or B-type structure. In the case of the A-type, the main memory array MMA includes (1) vertical lines VL arranged on the substrate SUB while forming a positive and a multi-layer structure (i.e., two- (2) a plurality of horizontal lines (HL) traversing the vertical lines (VL) while forming a multi-layered and multi-row structure, and (3) (Hereinafter referred to as " memory cells ") MC provided at intersections. In the case of the B-type, the main memory array MMA includes (1) first horizontal lines HLx forming a multi-layered and multi-row structure, (2) second horizontal lines HLy, and (3) the memory cells MC provided at their intersections. The vertical lines VL or the horizontal lines HL, HLx and HLy may be electrically connected to peripheral circuits via the bit line structure BLS.

본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 메모리 장치는 도 3에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 비트라인들(BL) 사이에 제공되며 2차원적으로 배열된 캐쉬 메모리 셀들(이하, 캐쉬 셀들)(CC)을 포함하는 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 더 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 셀 어레이 영역의 일부로서 제공될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가, 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 주변 영역을 구성하는 회로(예를 들면, 비트라인 디코더 및 센싱 회로) 사이에 제공됨을 의미한다. 또한, 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 주변 회로 영역에 배치되며 상기 비트라인들로부터 전송되는 또는 이들로 전송할 데이터를 보관하는 저장 공간(예를 들면, 1차원의 페이지 버퍼)과 구별되는 저장 공간임을 의미한다.According to embodiments of the present invention, a three-dimensional memory device is provided between the main memory array (MMA) and the bit lines (BL) as shown in FIG. 3, and two-dimensionally arranged cache memory cells , Cache cells (CC)). The cache memory array < RTI ID = 0.0 > (CMA) < / RTI > The cache memory array (CMA) may be provided as part of the cell array area. This means that the cache memory array (CMA) is provided, for example, between the main memory array (MMA) and a circuit (for example, a bit line decoder and a sensing circuit) constituting a peripheral region. Also, the cache memory array (CMA) has a storage space (for example, one-dimensional page buffer) which is disposed in a peripheral circuit area and stores data to be transmitted from or to the bit lines .

상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA), 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이의 상대적 배치는 도 3에 도시된 것으로부터 다양하게 변형될 수 있다. 도 4는 이러한 다양한 변형들의 일부 예들을 도시하는 표이고, 도 5 내지 도 7은 이러한 다양한 변형들을 예시적으로 도시하는 개략적인 사시도들이다. The relative arrangement between the cache memory array (CMA), the main memory array (MMA) and the bit line structure (BLS) can be variously modified from that shown in FIG. Fig. 4 is a table showing some examples of these various modifications, and Fig. 5 to Fig. 7 are schematic perspective views exemplarily showing such various modifications.

도 4를 참조하면, 제 1 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 A로서 또는 도 3에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 B로서 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이에 배치될 수 있다. 제 3 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 C로서 도시된 것처럼, 상기 비트라인 구조체(BLS)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에 배치될 수 있다. 제 4 기본 구조체 따르면, 도 5에서 유형 D로서 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 기판 상에 서로 인접하게 그리고 병렬적으로 배치되고, 상기 비트라인 구조체(BLS)는 이들의 상부에 제공될 수 있다. Referring to FIG. 4, according to a first basic structure, the cache memory array (CMA) includes a main memory array (MMA) and a bit line structure (BLS) As shown in FIG. According to a second basic structure, the main memory array (MMA) may be arranged between the cache memory array (CMA) and the bit line structure (BLS), as shown as type B in Fig. According to a third basic structure, the bit line structure (BLS) may be disposed between the main memory array (MMA) and the cache memory array (CMA), as shown as type C in Fig. According to a fourth basic structure, the cache memory array (CMA) and the main memory array (MMA) are arranged adjacent to and in parallel with each other on a substrate, as shown as type D in Fig. 5, BLS) may be provided on top of them.

상기 제 1 기본 구조는 도 6의 유형 A-S 및 유형 A-E로서 도시된 것처럼, (아래에서 보다 상세하게 설명될) 선택 구조체(SLS) 또는 환경 구조체(EVS)와 같은 추가적인 구조물의 존재에 의해 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 3차원 메모리 장치가 상기 선택 구조체(SLS)를 더 포함할 경우, 상기 제 1 기본 구조는 도 4의 제 1 내지 제 4 변형 구조들 중의 하나로 변형될 수 있다. 이에 더하여, 도 4의 제 5 내지 제 8 변형 구조들에서와 같이, 상기 제 1 기본 구조는 상기 비트라인 구조체(BLS) 상에 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 및 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 차례로 적층되는 구조(즉, 제 1 내지 제 4 변형 구조들의 뒤집어진 구조)를 갖도록 변형될 수 있다. The first basic structure may be variously modified by the presence of additional structures, such as selective structures (SLS) or environmental structures (EVS) (as will be described in more detail below), as shown as type AS and type AE of FIG. . For example, when the three-dimensional memory device further includes the selection structure (SLS), the first basic structure may be modified to one of the first through fourth modified structures of FIG. In addition, as in the fifth to eighth modified structures of FIG. 4, the first basic structure is formed such that the cache memory array (CMA) and the main memory array (MMA) are sequentially arranged on the bit line structure (I.e., the inverted structure of the first to fourth deformable structures).

상기 선택 구조체(SLS)는, 예를 들면, (1) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 내부 라인들(예를 들면, VL, HL, HLx 또는 HLy) 중의 하나 또는 일부를 선택하거나 (2) 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구성하는 도전 라인들 중의 하나 또는 일부를 선택하는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 선택 구조체(SLS)는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 일부로서 해석될 수도 있다. 상기 선택 구조체(SLS)와 관련된 기술적 특징들은 이후 도 30 내지 도 35 그리고 도 39 내지 도 67을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. The selection structure SLS may include, for example, (1) selecting one or a portion of internal lines (e.g., VL, HL, HLx, or HLy) constituting the main memory array MMA ) May be configured to enable selection of one or a portion of the conductive lines constituting the cache memory array (CMA). In some embodiments, the selection structure (SLS) may be interpreted as part of the cache memory array (CMA). The technical features associated with the Selective Structure (SLS) will be described in more detail below with reference to Figures 30-35 and 39-67.

3차원 메모리 장치가 상기 환경 구조체(EVS)를 더 포함하는 경우에도, 상기 제 1 기본 구조는 상기 선택 구조체(SLS)가 제공된 변형들에서와 유사한 방식으로 변형될 수 있다. 상기 환경 구조체(EVS)는 이후 도 38을 참조하여 보다 상세하게 설명될 짝 맞춤의 유효성을 강화시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상기 제 2 내지 제 4 기본 구조들 각각 역시, 상기 제 1 기본 구조에 대한 변형 구조들과 같이, 다양하게 변형될 수 있다. Even when the three-dimensional memory device further includes the environmental structure (EVS), the first basic structure may be modified in a similar manner as in the variants provided with the selection structure (SLS). The environmental structure EVS may then be configured to enhance the effectiveness of the mating, which will be described in more detail with reference to FIG. Similarly, each of the second to fourth basic structures may be variously modified, such as the modified structures for the first basic structure.

상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA) 각각은, 도 6의 유형 A-F 및 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F 및 D-P에 도시된 것처럼, 서로 분리되거나 독립적으로 동작하는, 복수의 부분들로 구성될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 각 부분은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상응하는 각 부분과, 도 6의 유형 A-F 그리고 도 7의 유형 D-F에서와 같이, 완전 대응 구조를 갖도록 형성되거나 도 6의 유형 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F에서와 같이, 부분 대응 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 완전 또는 부분 대응 구조들은 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다. Each of the main and cache memory arrays (MMA, CMA) is comprised of a plurality of portions that operate separately or independently from one another, as shown in Type AF and AP of FIG. 6 and Types DF and DP of FIG. . Each portion of the cache memory array (CMA) is configured to have a fully counterpart structure, such as in the respective respective portions of the main memory array (MMA), type AF in FIG. 6 and type DF in FIG. 7, AP and the type DF of Fig. 7, as shown in Fig. The fully or partially corresponding structures will be described in more detail below.

상기 비트라인 구조체(BLS)는, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상기 내부 라인들(e.g., VL or HL)에 또는 이들에 연결된 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 메모리 셀들에 전기적으로 접속하는 복수의 비트라인들(BL)로 구성될 수 있다. 상기 비트라인 구조체(BLS)는 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA)의 부분들을 가로지르도록 또는 이들에 공통으로 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 비트라인 구조체(BLS)는, 도 6의 유형 A-F 및 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F 및 D-P에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 부분들의 상부에 제공되거나, 도 7의 유형 D-I에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 아래에 제공될 수 있다. The bit line structure BLS is connected to the memory cells CMA of the cache memory array CMA connected to or to the internal lines (e.g., VL or HL) of the main memory array MMA, And a plurality of bit lines BL electrically connected to the bit line BL. The bit line structure BLS may be configured to traverse or to be connected to portions of the main and cache memory arrays (MMA, CMA). For example, the bit line structure (BLS) may be provided on top of portions of the main memory array (MMA), as shown in Type AF and AP of Figure 6 and types DF and DP of Figure 7, May be provided under the main memory array (MMA) as shown in type DI of FIG.

한편, 상기 제 1 내지 제 4 기본 구조들은 상기 메인 메모리 어레이(MMA), 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 및 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이의 상술한 배치 또는 배열 순서에 의해 분류된 것이며, 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치는 다양하게 또는 자유롭게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 기본 구조는, 도 4의 제 1 및 제 5 변형 구조들에서와 같이, 서로 뒤집어진 형태들로서 구현되거나, 도시하지 않았지만 시계 또는 반시계 방향으로 90도 회전된 형태로서 구현될 수도 있다. 상기 제 2 내지 제 3 기본 구조들 및 이들의 변형들 역시 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치에서의 상술한 다양함 또는 자유를 가지고 구현될 수 있다.
Meanwhile, the first to fourth basic structures are classified according to the above-described arrangement or arrangement order between the main memory array (MMA), the cache memory array (CMA) and the bit line structure (BLS) (SUB) can be varied or freely modified. For example, the first basic structure may be implemented as inverted shapes, as in the first and fifth modified structures of FIG. 4, or may be implemented as a clock or counterclockwise rotation of 90 degrees . The second to third basic structures and their variations may also be implemented with the above-described variety or freedom in relative arrangement to the substrate SUB.

도 8 내지 도 12는 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA)의 위치들 및 그 내부 라인들의 방향들을 예시적으로 보여주는 개략적인 사시도들이다. 예를 들면, 도 8 및 도 9의 구조들 각각은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 수직-채널 및 수직-게이트 낸드 플래시 메모리의 형태로 제공되는 실시예들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 이에 한정되는 것은 아니지만, 도 8 내지 도 12의 구조들 각각은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 3차원 크로스포인트 저항성 메모리의 형태로 제공되는 실시예들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. FIGS. 8-12 are schematic perspective views illustratively showing the locations of the main and cache memory arrays (MMA, CMA) and their internal lines. For example, each of the structures of FIGS. 8 and 9 may be used to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of vertical-channel and vertical-gate NAND flash memory Can be used. Similarly, although not exclusively, each of the structures of FIGS. 8-12 may be used to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of a three-dimensional cross-point resistive memory.

도면에서의 복잡성을 피하기 위해, 도 8 내지 도 12에서, 워드라인들(WL) 각각은 평판 형태로 도시되었지만, 다층 또는 다열 구조 등과 같이 복수의 라인들을 포함하는 1차원 구조로 제공될 수도 있다. 상기 워드라인들(WL) 각각이 평판 형태로 제공될 경우, 상기 메모리 셀들(MC) 중에서 2차원적으로 배열된 것들이 상기 워드라인들(WL) 각각에 공통으로 연결될 수 있다. 이는 후술할 읽기/쓰기 교란의 원인이 될 수 있다. 상기 워드라인들(WL) 각각이 공간적으로 분리되지만 전기적으로 연결된 복수의 라인들을 포함하는 경우에도, 상기 교란 문제는 동일하게 발생할 수 있다. To avoid complexity in the figures, in Figures 8-12, each of the word lines WL is shown in a planar form, but may also be provided in a one-dimensional structure including a plurality of lines, such as a multi-layer or multi-row structure. When each of the word lines WL is provided in the form of a flat plate, two-dimensionally arranged ones of the memory cells MC may be commonly connected to each of the word lines WL. This can cause read / write disturbances as described below. Even when each of the word lines WL includes a plurality of spatially separated but electrically connected lines, the disturbance problem may occur equally.

상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)내에는, 상기 캐쉬 셀들(CC)을 연결하는 복수의 캐쉬 라인들(CWL)이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 전기적으로 서로 분리되며, 상기 비트라인들(BL)을 가로지르도록 배치될 수 있다.
In the cache memory array (CMA), a plurality of cache lines (CWL) connecting the cache cells (CC) may be provided. In some embodiments, the cache lines (CWL) are electrically isolated from each other and may be arranged to traverse the bit lines (BL).

도 13은 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 메모리 장치의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 계층 구조(hierarchy structure)를 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 13을 참조하면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 적어도 하나의 블록을 포함할 수 있으며, 상기 블록은 하나 또는 복수의 (예를 들면, r개)의 챕터들을 포함할 수 있으며, 상기 챕터들 각각은 복수의 (예를 들면, q개)의 페이지들을 포함할 수 있으며, 상기 페이지들 각각은 복수의 (예를 들면, p개)의 셀들을 포함할 수 있다. 여기에서 설명되는 챕터, 페이지 및 셀의 개념들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 계층 구조를 기술하는데 동일하게 적용될 수 있다. Figure 13 is an exemplary diagram illustrating the hierarchical structure of the main memory array (MMA) of a three-dimensional memory device to which the present invention may be applied. 13, the main memory array (MMA) may include at least one block, which may include one or more (e.g., r) chapters, and the chapters Each may include a plurality (e.g., q) of pages, each of which may comprise a plurality (e.g., p) of cells. The concepts of chapters, pages, and cells described herein may equally be applied to describe the hierarchical structure of the cache memory array (CMA).

상기 블록은 어떤 동작이 독립적으로 수행될 수 있는 (예를 들면, 최대의) 데이터 크기 또는 셀들의 단위일 수 있다. 예를 들면, 낸드 플래시 메모리에 적용가능한 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 블록은 한번에 소거될 수 있는 데이터의 단위로서 사용될 수 있다. 하지만, 상기 블록의 개념이 이러한 동작 방법에 기초한 정의에 한정될 필요는 없다. 예를 들면, 상기 블록은 3차원적으로 배열된 메모리 셀들의 집합일 수 있으며, 그러한 메모리 셀들은 국소화된 영역 또는 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. The block may be a data size (e.g., maximum) or a unit of cells over which an operation may be performed independently. For example, according to some embodiments of the present invention applicable to NAND flash memory, a block may be used as a unit of data that can be erased at one time. However, the concept of the block need not be limited to the definition based on this operation method. For example, the block may be a set of three-dimensionally arranged memory cells, and such memory cells may be provided in a localized region or distributed in various regions.

상기 챕터는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 또는 상기 블록을 구성하는 한 평면에 포함되는 데이터 또는 셀들을 의미할 수 있다. 다시 말해, 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성된다. 여기서, 평면은 데이터-계층 구조적인 측면 또는 셀들의 물리적 배치의 측면 중의 적어도 하나에서의 평면을 의미할 수 있으며, 그 평면의 방향은 상기 비트라인들(BL) 및 상기 워드라인들(WL)의 배치 및 이들을 사용하여 수행되는 동작 방법에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, (공면을 이루는 워드라인들이 전기적으로 연결되어 2차원적으로 배열된 메모리 셀들의 공통 게이트 전극으로 사용되는) 도 8의 수직-채널 낸드 플래시 메모리의 경우, 하나의 챕터는 (상기 공통 게이트 전극에 의해 제어되는) 상기 2차원적으로 배열된 메모리 셀들 또는 거기에 저장된 데이터로 구성될 수 있다. The chapter may refer to data or cells included in the main memory array (MMA) or one plane constituting the block. In other words, the chapter consists of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane. Here, the plane may mean a plane in at least one of the data-hierarchical aspects or the sides of the physical arrangement of the cells, and the direction of the plane may be the direction of the bit lines BL and the word lines WL Arrangement and operation method to be performed using them. For example, in the case of the vertical-channel NAND flash memory of FIG. 8 (where the word lines forming the coplanar are electrically connected and used as the common gate electrode of two-dimensionally arranged memory cells), one chapter Dimensionally arranged memory cells (controlled by a gate electrode) or data stored therein.

상기 페이지는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 통해 한번에 독출될 수 있는 데이터 크기 또는 그 최대 크기를 의미한다. 상술한 것처럼, 각 비트라인이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 내부 라인들 중의 복수의 것들에 전기적으로 연결되기 때문에, 상기 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 상기 블록을 구성하는 3차원 데이터를 상기 비트라인 구조체(BLS)를 통해 한번에 입력 또는 출력시키는 것은 어려울 수 있다. 이에 따라, 통상의 경우, 도 14에 도시된 것처럼, 하나의 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 하나의 블록을 구성하는 3차원 데이터는 1차원 데이터의 그룹들로 분할된 후, 상기 비트라인들(BL)의 통해 순차적으로 입력 또는 출력된다. 상기 페이지는 상기 1차원 데이터 그룹들 각각에 해당할 수 있다. The page refers to a data size or its maximum size that can be read at a time through the bit line structure (BLS). As described above, since each bit line is electrically connected to a plurality of internal lines constituting the main memory array (MMA), the two-dimensional data constituting the chapter or the three-dimensional data constituting the block It may be difficult to input or output at once through the bit line structure (BLS). Accordingly, as shown in Fig. 14, the two-dimensional data constituting one chapter or the three-dimensional data constituting one block are divided into groups of one-dimensional data, and then the bit lines BL). The page may correspond to each of the one-dimensional data groups.

상기 챕터 및 페이지 개념에 대한 보다 나은 이해를 제공하기 위해, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 챕터 및 이를 구성하는 페이지들이 도 8 내지 도 12에 예시적으로 도시되었다. To provide a better understanding of the chapter and page concepts, a chapter of the main memory array (MMA) and the pages that make up it are illustrated by way of example in FIGS. 8-12.

상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 있어서, 상기 메모리 셀들은 상기 수직 라인들(VL) 및 상기 수평 라인들(HL) 사이 또는 상기 제 1 및 제 2 수평 라인들(HLx 및 HLy) 사이의 교차점들 각각에 제공되는 정보 저장 공간을 의미한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 셀은 싱글 또는 멀티 비트를 저장하도록 구성될 수 있다. In the main memory array (MMA), the memory cells are arranged at intersections between the vertical lines (VL) and the horizontal lines (HL) or between the first and second horizontal lines (HLx and HLy) Quot; information storage space " In embodiments of the present invention, the cell may be configured to store single or multi-bits.

상술한 것처럼, 상기 블록을 구성하는 메모리 셀들은 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. 유사하게, 하나의 챕터 또는 하나의 페이지를 구성하는 메모리 셀들 역시 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 블록, 챕터, 및/또는 페이지 각각은, 짝/홀 분할 또는 좌/우 분할의 방법에 기초하여, 독립적으로 동작하도록 구성된 복수의 섹션들로 분할될 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 이러한 분리된 섹션에 적용될 수 있는 본 발명의 가능한 실시예들에 대한 설명은 최소화될 것이지만, 상기 섹션 분리의 방법은 읽기 또는 쓰기 동작의 효율성 등을 고려하여 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 이러한 섹션 분리에 기초한 (예를 들면, 2차원 메모리 반도체들에 적용되는) 알려진 기술들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 사용 또는 응용될 수 있으며, 그러한 사용 또는 응용은 본 발명의 실시예들의 일부로서 포함된다.
As described above, the memory cells constituting the block may be provided in a distributed form in various regions. Similarly, memory cells constituting one chapter or one page may also be provided in a distributed form in various areas. For example, each of the blocks, chapters, and / or pages may be divided into a plurality of sections configured to operate independently, based on a method of pair / hole partitioning or left / right partitioning. For the sake of brevity of description, the description of possible embodiments of the present invention that may be applied to such a separate section will be minimized, but the method of section separation can be variously modified in view of the efficiency of the read or write operation have. Therefore, known techniques (e.g., applied to two-dimensional memory semiconductors) based on such section separation can be used or applied to implement the technical idea of the present invention, and such use or application can be applied to embodiments of the present invention Lt; / RTI >

도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치에서 수행되는 동작들의 일부를 도시하는 도면이다. 도 15를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작은 MM-CM 복사(S[RM]), CM-MM 복사(S[WM]), CM 쓰기(S[WC]), 및 CM 읽기(S[RC])의 단계들을 포함할 수 있다. 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])의 단계들은 도 16에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정들이고, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])의 단계들은 도 17에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 주변 영역 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정들이다. 15 is a diagram showing a part of operations performed in a three-dimensional memory device according to embodiments of the present invention. Referring to Figure 15, the operation of the three-dimensional memory device according to some embodiments of the present invention includes the MM-CM copy S [RM], CM-MM copy S [WM] ]), And CM reading (S [RC]). The steps of the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) are performed between the main memory array (MMA) and the cache memory array (CMA) The steps of the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) are data transfer processes between the cache memory array (CMA) and the peripheral area Transmission processes.

일부 실시예들에 따르면, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 CM-MM 복사(S[WM])는 챕터 단위로 수행되고, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 CM 읽기(S[RC])의 단계들은 페이지 단위로 순차적으로 또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 25 내지 도 30을 참조하여 설명될 것처럼, 이들 단계들 각각은 데이터 처리의 단위 및 방법 등에서 다양하게 변형될 수 있다.According to some embodiments, the MM-CM copy (S [RM]) and CM-MM copy (S [WM]) are performed chapters, [RC]) may be performed sequentially or randomly on a page basis. However, the embodiments of the present invention are not limited thereto, and as will be described with reference to FIGS. 25 to 30, each of these steps may be variously modified in units of data processing and the like.

상기 MM-CM 복사(S[RM]), CM-MM 복사(S[WM]), CM 쓰기(S[WC]), CM 읽기(S[RC]), 및 CM-CM 복사(S[CC])의 단계들은 적절히 조합되어 수행될 수 있다. 예를 들면, 이들 단계들은 (1) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 정보를 주변회로(예를 들면, 페이지 버퍼 또는 센싱 회로)로 읽어내는 읽기 동작 및 (2) 주변 회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장하는 쓰기 동작을 수행하도록 조합될 수 있다. CM copy (S [RM]), CM-MM copy (S [WM]), CM write (S [WC]), CM read ]) May be performed in an appropriate combination. For example, these steps may include (1) a read operation that reads information stored in the main memory array (MMA) into a peripheral circuit (e.g., a page buffer or a sensing circuit) and (2) And to perform a write operation to store data in the main memory array (MMA).

일부 실시예들에 따르면, 상기 읽기 동작은 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM 읽기(S[RC]) 단계들을 포함하고, 상기 쓰기 동작은 도 20 및 도 21에 도시된 것처럼 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])의 단계들을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 아래에서는 한 챕터 단위의 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 동작이 예시적으로 설명될 것이다. 즉, 복수의 챕터 데이터는 아래에서 설명되는 동작을 반복함으로써 처리될 수 있다. According to some embodiments, the read operation includes the MM-CM copy (S [RM]) and the CM read (S [RC]) steps as shown in Figures 18 and 19, The CM write (S [WC]) and the CM-MM copy (S [WM]) as shown in Figures 20 and 21. For the sake of simplicity of explanation, the read and write operations for one chapter unit of data will be exemplarily described below. That is, a plurality of chapter data can be processed by repeating the operation described below.

도 16 및 도 18에 도시된 것처럼, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하는 과정을 의미한다. 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 도 19의 좌측에 도시된 것처럼, 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다(예를 들면, 도 24, 도 26, 또는 도 28 참조). As shown in FIGS. 16 and 18, the MM-CM copy (S [RM]) refers to a process of copying data stored in the main memory array (MMA) to the cache memory array (CMA). The MM-CM copy (S [RM]) may be implemented to copy chapter-based data to the cache memory array (CMA) at a time, as shown on the left side of FIG. According to a variant embodiment, the MM-CM copy (S [RM]) may comprise a plurality of sub-steps, each of which is carried out to copy two pages of data or more , Fig. 24, Fig. 26, or Fig. 28).

도 17 및 도 18에 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 데이터를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로 또는 페이지 버퍼)로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 CM 읽기(S[RC])는, 도 19의 우측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 읽기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC])의 상기 하부 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As shown in FIGS. 17 and 18, the CM read (S [RC]) uses the bit line structure (BLS) to transfer the data of the cache memory array (CMA) to a peripheral circuit Page buffer). The CM read (S [RC]) may include a plurality of cache page reading steps, each of which is implemented to transmit page-by-page data to the peripheral circuit, as shown on the right side of FIG. According to alternative embodiments, the CM read (S [RC]) may comprise a plurality of sub-steps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than the page. For example, each of the lower steps of the CM read (S [RC]) may be implemented to process one or more cell data.

도 17 및 도 20에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 외부 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하는 과정을 의미한다. 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 도 21의 좌측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 쓰기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC])의 상기 하부 단계들 각각은 비트, 바이트 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As shown in FIGS. 17 and 20, the CM write (S [WC]) refers to a process of writing external data to the cache memory array (CMA) using the bit line structure (BLS). The CM write (S [WC]) includes a plurality of cache page writing steps, each of which is performed to write page-by-page data to the cache memory array (CMA), as shown on the left side of Fig. . According to a variant embodiment, the CM write (S [WC]) may comprise a plurality of sub-steps, each of which is carried out to transmit data of a size smaller than the page. For example, each of the lower steps of the CM write S [WC] may be implemented to process bits, bytes, or more of the cell data.

도 16 및 도 20에 도시된 것처럼, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 복사하는 과정을 의미한다. 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 도 21의 우측에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다(예를 들면, 도 24 참조). As shown in FIGS. 16 and 20, the CM-MM copy (S [WM]) refers to a process of copying data stored in the cache memory array (CMA) to the main memory array (MMA). The CM-MM copy (S [WM]) copies the data of the chapter unit stored in the cache memory array (CMA) to a predetermined chapter of the main memory array (MMA) at once as shown on the right side of FIG. . According to a variant embodiment, the CM-MM copy (S [WM]) may comprise a plurality of sub-steps, each of which is carried out to copy data of two pages or more , See Fig. 24).

일부 실시예들에서, 데이터는, 랜덤 억세스 방식으로 또는 L1, L2 또는 L3 캐쉬 메모리에 적용되는 캐쉬 알고리즘들 중의 하나에 기초하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로부터 독출되거나 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC]) 및 상기 CM 쓰기(S[WC])는 비트, 바이트, 워드, 또는 페이지 단위의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 L1, L2 또는 L3 캐쉬들 중의 어느 하나로서 사용될 수 있으며, 현재 사용되는 DRAM 또는 SRAM의 기능을 구현하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로는 상기 랜덤 억세스 방식 또는 상기 L1, L2 또는 L3 캐쉬를 위한 캐쉬 알고리즘을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 주변 회로는 디램, 에스램 또는 노어 플래시 메모리 소자들에서 사용되는 구동 또는 디코딩 회로를 더 포함할 수 있다. In some embodiments, the data may be read from the cache memory array (CMA) or read from the cache memory array (CMA) in a random access manner or based on one of the cache algorithms applied to the L1, L2 or L3 cache memory. Lt; / RTI > For example, the CM read (S [RC]) and CM write (S [WC]) may be implemented to process bit, byte, word, or page data. In some embodiments, the cache memory array (CMA) may be used as any of the L1, L2, or L3 caches and may be configured to implement the functions of the DRAM or SRAM currently used. According to some embodiments, the peripheral circuitry may be configured to implement the random access method or a cache algorithm for the L1, L2 or L3 cache. For example, the peripheral circuitry may further include a driving or decoding circuit used in DRAM, ESRAM or NOR flash memory devices.

상기 CM-CM 복사(S[CC])의 단계는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들(P1, P2) 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정이다. 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 도 15에 예시된 다른 단계들 중의 적어도 하나와 조합되어, 상술한 랜덤 억세스 또는 캐쉬 알고리즘을 구현할 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들은 상기 비트라인 구조체(BLS)를 공유하도록 구성될 수 있으며, 상기 CM-CM 복사(S[CC])의 단계는 상기 공유된 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 22에 도시된 것처럼, 상기 주변영역으로의 데이터 복사(copy) 또는 이주(migration)없이, 상기 두 부분들(P1, P2) 중의 어느 하나로부터 다른 하나로 데이터를 직접 복사 또는 이주시키도록 수행될 수 있다. 하지만, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 상기 주변 영역(예를 들면, 페이지 버퍼)를 이용하여 순차적으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 29에 도시된 것처럼, 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 상기 두 부분들(P1, P2)에서 각각 그리고 순차적으로 수행되는 상기 CM 읽기(S[RC]) 및 상기 CM 쓰기(S[WC])의 조합을 통해 구현될 수 있다.
The step of CM-CM copy (S [CC]) is a data transfer process performed between two different parts (P1, P2) of the cache memory array (CMA). The CM-CM copy (S [CC]) may be combined with at least one of the other steps illustrated in FIG. 15 to implement the random access or cache algorithm described above. Wherein two different portions of the cache memory array (CMA) may be configured to share the bit line structure (BLS), wherein the step of CM-CM copy (S [CC] . ≪ / RTI > According to some embodiments, as shown in FIG. 22, without copying or migration of data to the peripheral area, copying data directly from one of the two parts P1 and P2 to another Or to migrate. However, according to modified embodiments, the CM-CM copy (S [CC]) may be implemented sequentially using the peripheral area (e.g., a page buffer). For example, as shown in FIG. 29, the CM-CM copy (S [CC]) includes the CM read (S [RC]) performed in each of the two parts P1 and P2, CM write (S [WC]).

*도 15 및 도 23을 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 쓰기 및 상기 읽기 동작들 각각은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 사용하지 않는 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 및 MM 직접 읽기(S[RMd])의 단계를 포함하는 방식으로 실시될 수 있다. 15 and 23, according to the modified embodiments of the present invention, each of the writing and reading operations are MM direct writing (S [WMd]) which does not use the cache memory array (CMA) And direct MM reading (S [RMd]).

상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 주변회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 직접 기록하는 과정을 의미한다. 예를 들면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이 수행되는 데이터 전달 과정일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는, 도 23에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 직접 기록하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 쓰기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 하부 직접 쓰기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 또는, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는, 플래시 메모리의 소거 단계에서와 같이, 챕터 또는 그 이상의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. The MM direct write (S [WMd]) means a process of directly writing external data provided through the peripheral circuit to the main memory array (MMA). For example, the MM direct write (S [WMd]) may be a data transfer process performed without an interruption step of storing data in the cache memory array (CMA). According to some embodiments, the MM direct write (S [WMd]) is implemented to write page-by-page data directly to a predetermined chapter of the main memory array (MMA), as shown in Figure 23 , And a plurality of sub-direct write steps. According to alternative embodiments, each of the lower direct write steps may be implemented to process one or more cell data. Alternatively, the MM direct write (S [WMd]) may be implemented to process the chapter or more data, as in the erase step of the flash memory.

상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 데이터를 상기 주변회로로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 도 23에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 읽기 단계들을 포함할 수 있으며, 상기 하부 직접 읽기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. The direct MM read (S [RMd]) means a process of transmitting data of the main memory array (MMA) to the peripheral circuit without an interruption step of storing data in the cache memory array (CMA). The MM direct read (S [RMd]) may comprise a plurality of lower direct read steps, each of which is implemented to transfer page-by-page data to the peripheral circuit, as shown in Figure 23, Each of the direct reading steps may be implemented to process one or more cell data.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 15에 도시된 것처럼, 상기 3차원 메모리 장치의 동작은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 또는 상기 캐쉬 셀들(CC) 전부 또는 일부를 초기화시키는(예를 들면, 특정한 데이터 상태로 만드는) CM 초기화(S[IN]) 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 셀(CC)이 (예를 들면, 자기터널접합에서와 같이) 비휘발성일 경우, 그것의 데이터 변경은 외부적 요인(예를 들면, 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터 전송되는 전기적 신호)뿐만이 아니라 내부적 요인(예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC) 그 자체의 데이터 상태)에 대한 의존성을 함께 가질 수 있다. 이 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계를 통해 상기 내부적 요인과 관련된 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 내에서의 불균일성을 해소시키는 것이 필요할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 초기화되지 않았을 때에는, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 저장된 데이터 중의 일부를 바꿀 수 없는 경우가 있을 수 있으며, 이 경우, (예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안) 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터의 데이터 중의 일부 만이 상기 캐쉬 셀들(CC)에 기록될 수 있다. 즉, 오류가 발생할 수 있다. According to some embodiments of the present invention, as shown in FIG. 15, operation of the three-dimensional memory device may be performed by initializing all or a portion of the cache memory array (CMA) or the cache cells (e.g., (S [IN]) step to create a specific data state. If the cache cell CC is nonvolatile (e.g., as in a magnetic tunnel junction), its data modification may be performed by an external factor (e.g., external or electrical Signal) as well as internal factors (e.g., the data state of the cache cell CC itself). In this case, it may be necessary to eliminate the non-uniformity in the cache memory array (CMA) associated with the internal factor through the CM initialization (S [IN]) step. In other words, when the cache cells CC are not initialized, some of the data stored in the cache cells CC may not be able to be changed. In this case, the CM write S [ Only a portion of the data from the main memory array (MMA) or outside the MM-CM copy (S [RM]) and the MM-CM copy (S [RM]) may be written to the cache cells (CC). That is, an error may occur.

그럼에도, 상기 캐쉬 셀(CC)의 데이터 변경이 상기 내부적 요인에 작거나 무시할 수 있는 의존성을 갖는 경우, 일부 실시예들에서는, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계가 생략될 수도 있다. 보다 구체적으로, 이러한 생략은 상기 캐쉬 셀들(CC)의 데이터 저장 원리 또는 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 정보를 포함하는 전기적 신호의 유형이 무엇인가에 의해 결정되며, 이러한 결정은 아래에서 예시되는 예들에 기초하여 당업자의 지식 수준에서 이루어질 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성) 메모리 요소를 통해 구현되는 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계는 생략될 수 있다. 상기 CM 초기화(S[IN])는 챕터 단위 또는 그 보다 작은 데이터 (페이지) 단위로 수행될 수 있다. Nevertheless, in some embodiments, the CM initialization (S [IN]) step may be omitted if the data change of the cache cell CC has a small or negligible dependency on the internal factor. More specifically, this omission is determined by what type of electrical signal contains the data storage principle of the cache cells (CC) or the information stored in the memory cells (MC), and this determination can be made, for example, Based on the knowledge of those skilled in the art. For example, if the cache cell CC is implemented with a memory element having a short retention characteristic (i.e., volatile), the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. The CM initialization (S [IN]) may be performed in units of chapters or smaller data (pages).

상술한 단계들 각각은 다양하게 변경될 수 있으며, 상기 읽기 및 쓰기 동작들 각각 역시 다양하게 조합되어 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 24 및 도 25에 도시된 것처럼, 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 CM 쓰기(S[WC]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 챕터보다 작은 단위의 데이터를 전송하는 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 도 26 및 도 27에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장되는 챕터 데이터는 상기 MM-CM 복사(S[RM])를 통해 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터 전송된 데이터와 상기 CM 쓰기(S[WC])를 통해 상기 주변 영역으로부터 전송된 데이터의 합일 수 있다. 이 경우, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는 도 26 및 도 27에 도시된 것처럼 챕터 이하의 데이터 또는 챕터 데이터 단위로 실시될 수 있고, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 도 27에 도시된 것처럼 덮어쓰기 방식으로 수행될 수도 있다. 이에 더하여, 도 28에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장되는 챕터 데이터는, 상기 MM-CM 복사(S[RM])의 단계들을 통해 얻어진, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 다른 두 챕터 데이터의 합일 수 있다. 여기에서, 데이터 처리 방법에서의 다양한 변형들이 설명되었지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에 제공되는 추가적인 기술적 설명들 및 알려진 기술들에 기초하여 더욱 다양하게 변형될 수 있다.
Each of the above-described steps may be variously changed, and each of the read and write operations may be implemented in various combinations. For example, as shown in FIGS. 24 and 25, the MM-CM copy S [RM], the CM-MM copy S [WM], the CM write S [WC] The CM reading (S [RC]) can be performed by transmitting data in units smaller than chapters. 26 and 27, the chapter data stored in the cache memory array (CMA) is divided into data transferred from the main memory array (MMA) through the MM-CM copy (S [RM] May be the sum of data transmitted from the peripheral area through the CM write (S [WC]). In this case, the MM-CM copy (S [RM]) may be performed in units of chapter data or chapter data as shown in FIGS. 26 and 27, and the CM write (S [WC] May be performed in an overwriting manner as shown in FIG. 28, the chapter data stored in the cache memory array (CMA) is stored in the main memory array (MMA), which is obtained through the steps of the MM-CM copy (S [RM] It can be the sum of two chapter data. Here, various modifications in the data processing method are described, but the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified in various ways based on the additional technical explanations and known techniques provided below.

도 30 및 도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작 단계들의 기술적 특징들의 일부를 예시적으로 설명하기 위한 표들이다. FIGS. 30 and 31 are tables for illustrating some of the technical features of operation steps of a three-dimensional memory device according to embodiments of the present invention.

도 30에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 비트라인(BL), 캐쉬 셀(CC) 및 선택 라인(SL)을 경유하는 전류 경로를 이용하여 페이지 단위로 수행될 수 있다. 이 경우, 메모리 셀들(MC)에 연결되는 전류 경로의 형성이 필요없기 때문에, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란의 문제는 예방될 수 있다. 30, the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) have a current path via the bit line BL, the cache cell CC and the select line SL Can be performed on a page-by-page basis. In this case, the problem of disturbance to the main memory array (MMA) can be prevented because the formation of the current path connected to the memory cells MC is not necessary.

이와 달리, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 비트라인(BL), 캐쉬 셀(CC) 및 메모리 셀(MC)을 경유하는 전류 경로를 이용하여 챕터 단위로 수행될 수 있다. 이 경우, 교란 현상이 나타날 수 있지만, 이들 각각은 한번의 챕터 단위의 데이터 전송 과정이기 때문에, 반복적인 교란의 문제는 예방될 수 있다. Alternatively, the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) may include a current path via the bit line (BL), the cache cell (CC) Can be performed on a chapter-by-chapter basis. In this case, the disturbance phenomenon may appear, but since each of them is a data transmission process of one chapter unit, the problem of repetitive disturbance can be prevented.

이처럼 전류 경로의 변화를 구현하기 위해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 31에 도시된 것처럼 상기 비트라인(BL)을 상기 선택 라인(SL) 및 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 내부 배선(e.g., VL or HL) 중의 어느 하나에 선택적으로 연결할 수 있는 선택자(selector or switch)를 포함할 수 있다. 상기 선택자는 도 6을 참조하여 설명된 상기 선택 구조체(SLS)의 일부로 제공될 수도 있다. 31, the bit line BL is connected to the select line SL and the internal wirings (e, g) of the main memory array MMA, for example, , VL, or HL), which may include a selector or switch. The selector may be provided as part of the selection structure (SLS) described with reference to FIG.

도 31은 각 단계들에서 신호가 전송되는 방향을 예시적으로 보여준다. 예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 상기 주변 영역으로부터 전송된 데이터를 상기 캐쉬 셀(CC)에 기록하는 과정이기 때문에, 데이터는 상기 비트라인(BL)으로부터 상기 캐쉬 셀(CC)을 향하는 방향으로 전송된다. 이와 달리, 상기 MM-CM 복사(S[RM])의 경우, 데이터는 상기 메모리 셀(MC)로부터 상기 캐쉬 셀(CC)으로 전송되기 때문에, 상기 CM 쓰기(S[WC])에서의 신호 방향에 반평행할 수 있다. (한편, 여기서 언급된 신호의 방향은, 상기 메모리 또는 캐쉬 셀들의 구조 및 동작 원리에 따라 변화될 수 있으며, 전류의 방향과 다를 수도 있다.) FIG. 31 exemplarily shows directions in which signals are transmitted in each step. For example, since the CM write (S [WC]) is a process of writing data transferred from the peripheral region to the cache cell (CC), data is transferred from the bit line (BL) As shown in Fig. In the case of the MM-CM copy (S [RM]), since the data is transferred from the memory cell MC to the cache cell CC, the signal direction in the CM write S [WC] As shown in FIG. (Meanwhile, the direction of the signal mentioned here may be changed according to the structure and the operating principle of the memory or the cache cells, and may be different from the direction of the current.)

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 선택자는 신호 방향에서의 이러한 변경을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 도 32는 상기 캐시 셀(CC)의 종류에 따른 쓰기 전류의 방향 및 이를 구현하기 위한 상기 선택자의 가능한 유형의 한 예를 보여준다.
According to embodiments of the present invention, the selector can be configured to implement such a change in signal direction. FIG. 32 shows an example of the direction of the write current according to the type of the cache cell CC and a possible type of the selector to implement the write current.

도 33은 단위 캐쉬 메모리들을 포함하는 캐쉬 셀 어레이(CMA)를 예시적으로 도시하는 회로도이고, 도 34 및 도 35는 상기 단위 캐쉬 메모리의 가능한 구조들의 일부를 개략적으로 그리고 예시적으로 보여주는 도면들이다.FIG. 33 is a circuit diagram exemplarily showing a cache cell array (CMA) including unit cache memories, and FIGS. 34 and 35 are views schematically and exemplarily showing a part of possible structures of the unit cache memory.

도 33를 참조하면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 2차원적으로 배열된 단위 캐쉬 메모리들(CMU)을 포함할 수 있다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 내부 배선들(e.g., VL or HL) 각각은, 상기 단위 캐쉬 메모리들(CMU) 중의 상응하는 하나를 통해, 제 1 라인들(L1) 중의 상응하는 하나 또는 제 2 라인들(L2) 중의 상응하는 하나에 연결될 수 있다. 상기 제 1 라인들(L1)은 상기 제 2 라인들(L2)을 가로지르도록 배열되고, 상기 내부 배선들(VL or HL)은 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2) 모두를 가로지르는 장축을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2) 그리고 상기 내부 배선들(VL or HL)은 실질적으로 서로 수직할 수 있다.Referring to FIG. 33, the cache memory array (CMA) may include two-dimensionally arranged unit cache memories (CMU). Each of the internal wirings (eg, VL or HL) of the main memory array MMA is connected to a corresponding one of the first lines L1 through a corresponding one of the unit cache memories CMU, May be coupled to a corresponding one of the lines L2. The first lines L1 are arranged to traverse the second lines L2 and the internal lines VL or HL are arranged to cross both the first and second lines L1 and L2 You can have a long axis to bend. For example, the first and second lines L1 and L2 and the internal wires VL or HL may be substantially perpendicular to each other.

상기 단위 캐쉬 메모리들(CMU) 각각은 데이터 저장을 위한 적어도 하나의 캐쉬 셀(CC) 및 상술한 신호 전달 경로 또는 전류 경로의 변화를 위한 적어도 하나의 선택자(ST)를 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 동작은, 상기 제 1 또는 제 2 라인(L1, L2) 중의 하나일 수 있는, 캐쉬 라인(CWL)에 의해 제어될 수 있다. (설명의 간결함을 위해, 도 33 내지 도 35는 상기 캐쉬 라인(CWL)이 상기 제 2 라인(L2)을 이용하여 구현되는 실시예들을 도시하고 있지만, 상기 캐쉬 라인(CWL)은 이와 유사한 방식으로 상기 제 1 라인(L1)을 이용하여 구현될 수도 있다.) Each of the unit cache memories (CMU) may include at least one cache cell (CC) for storing data and at least one selector (ST) for changing the above-mentioned signal transmission path or current path. The operation of the cache cell CC and the selector ST may be controlled by a cache line CWL, which may be one of the first or second lines L1 and L2. (For brevity's sake, FIGS. 33-35 illustrate embodiments in which the cache line CWL is implemented using the second line L2, but the cache line CWL may be implemented in a similar manner And may be implemented using the first line L1.

일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 라인(L1)은 상기 비트라인 구조체(BLS) 또는 상기 비트라인들(BL)로 사용되고, 상기 제 2 라인(L2)은 도 30 및 도 31을 참조하여 설명된 전류 경로의 변화를 구현하기 위한 배선으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2)의 이러한 기능은 서로 바뀔 수 있다. 이러한 두 유형의 실시예들은 아래에서 설명될 도 39와 도 47의 비교로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. According to some embodiments, the first line (L1) is used as the bit line structure (BLS) or the bit lines (BL), and the second line (L2) is described with reference to Figures 30 and 31 Can be used as a wiring for realizing the change of the current path. However, according to other embodiments, these functions of the first and second lines L1 and L2 may be interchanged. These two types of embodiments may be more clearly understood from the comparison of Figures 39 and 47, which will be described below.

상기 캐쉬 라인(CWL)의 구조는, 도 34에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 구조 및/또는 동작 원리에 따라 다양화될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 라인(CWL)은 상기 선택자(ST) 및/또는 상기 캐쉬 셀(CC)을 제어하는데 사용되는 하나 또는 그 이상의 라인들(SL, GL, CL)을 포함할 수 있다. The structure of the cache line CWL may be varied according to the structure and / or operation principle of the cache cell CC and the selector ST, as shown in FIG. For example, the cache line CWL may include one or more lines SL, GL, CL used to control the selector ST and / or the cache cell CC.

보다 구체적으로, 상기 선택자(ST)는, 도 34 및 도 35의 유형 A 및 B에서와 같이, 선택 소오스 라인(SL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이에 제공되는 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)일 수 있지만, 도 34 및 도 35의 유형 C 및 D에서와 같이, 상기 선택 소오스 라인(SL)에 더하여 제어 라인 또는 게이트 라인(GL)을 더 구비하는 3단자 스위칭 소자(예를 들면, 트랜지스터)일 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 셀(CC)은, 도 34 및 도 35의 유형 A 및 C에서와 같이, 상기 제 1 라인(L1)과 상기 선택자(ST) 사이에 제공되는 2단자 메모리 요소(예를 들면, 가변저항 메모리 요소)일 수 있지만, 도 34 및 도 35의 유형 B 및 D에서와 같이, 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, 트랜지스터 구조의 메모리 요소)일 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 라인(CWL)은, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 유형, 구조 및/또는 동작 원리 등에 따라, 상기 선택 소오스 라인(SL), 상기 게이트 라인(GL) 및 상기 캐쉬 제어 라인(CL) 중의 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
More specifically, the selector ST is a two-terminal switching element provided between the selection source line SL and the cache cell CC, for example, as shown in the types A and B of FIGS. 34 and 35 , A diode). However, as in the types C and D of FIGS. 34 and 35, a three-terminal switching device (for example, a three-terminal switching device) including a control line or a gate line GL in addition to the above- , Transistors). The cache cell CC also includes a two terminal memory element provided between the first line L1 and the selector ST as in the types A and C of FIGS. 34 and 35 (for example, Variable memory element), but may be a three-terminal memory element (e.g., a memory element of a transistor structure) controlled by a cache control line CL, as in types B and D of Figures 34 and 35 have. In other words, the cache line CWL may be connected to the selection source line SL, the gate line GL, and / or the source line SL according to the type, structure, and / or operation principle of the cache cell CC and the selector ST, And the cache control line (CL).

이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU) 또는 상기 캐쉬 셀(CC)은 도 36에 예시적으로 도시된 메모리 요소들 중의 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)은 DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack, Holographic, 및 Probe 등으로 알려진 메모리 요소들로 구성되는 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)은 알려진 메모리 요소들 중의 적어도 하나(예를 들면, ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor) 및 그것의 참고문헌 목록을 구성하는 문헌들에 개시된, 메모리 요소들 중의 적어도 하나)를 포함할 수 있다. The unit cache memory (CMU) or the cache cell (CC) may be implemented using one of the memory elements illustrated by way of example in FIG. For example, the unit cache memory (CMU) may be a DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, , Holographic, and Probe, and the like. Alternatively, the unit cache memory (CMU) may comprise at least one of the memory elements described in documents comprising at least one of the known memory elements (e.g., ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor) and its reference list) ).

일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)과 다른 데이터 저장 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 3차원 낸드 플래시 메모리, PCRAM, CBRAM, 또는 ReRAM의 형태로 구현될 수 있고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 SRAM, PCRAM, STT-MRAM, CBRAM, T-RAM, ReRAM 또는 Z-RAM 중에서 상기 메모리 셀들(MC)과는 다른 것들을 사용하여 구현될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)은 동일한 종류의 메모리 셀들 또는 동일하거나 유사한 동작 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. In some embodiments, the cache cells CC may be memory cells based on a different data storage principle than the memory cells MC. For example, the main memory array MMA may be implemented in the form of a three-dimensional NAND flash memory, a PCRAM, a CBRAM, or a ReRAM, and the cache memory array CMA may include SRAM, PCRAM, STT- T-RAM, ReRAM, or Z-RAM, which are different from the memory cells MC. However, in other embodiments, the cache and memory cells CC, MC may be memory cells of the same type or memory cells based on the same or similar operating principle.

일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 셀들(MC)이 플래시 메모리 장치에서와 같이 전하 저장 요소인 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 도 36에 도시된 가변 저항 특성을 나타내는 메모리 요소들(예를 들면, PCM, MTJ, Z-RAM, CBRAM, ReRAM materials 등)을 포함하도록 구성될 수 있다. In some embodiments, each of the cache cells CC may be configured to have a faster write and / or read rate than each of the memory cells MC. For example, when the memory cells MC are charge storage elements as in a flash memory device, the cache cells CC may include memory elements (e.g., PCMs) , MTJ, Z-RAM, CBRAM, ReRAM materials, etc.).

일부 실시예들에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메모리 셀(MC)보다 빠른 동작 속도를 갖는 휘발성 또는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 셀들(MC)이 플래시 메모리 장치에서와 같이 전하 저장 요소인 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 SRAM, T-RAM, 또는 Z-RAM의 형태로 구현될 수 있다.In some embodiments, the main memory array (MMA) is comprised of non-volatile memory elements, and the cache memory array (CMA) is a volatile or nonvolatile memory having a faster operating speed than the memory cells Elements. For example, if the memory cells MC are charge storage elements as in a flash memory device, the cache cells CC may be implemented in the form of SRAM, T-RAM, or Z-RAM.

하지만, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)이 위에서 예시된 방식으로 조합되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들면, 제조 공정, 제조 비용, 데이터 유지 특성, (아래에서 설명될) 짝 맞춤 특성 및 전류 경로 형성의 용이성 등과 같은 다른 기술적 이슈들에 대한 고려에 기초하여, 상술한 구현 방식은 완화되거나 바뀔 수 있다. 또는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 위한 메모리 요소의 종류는 상기 메모리 셀들(MC)의 동작 원리, 동작을 위한 전기적 신호의 특성(예를 들면, 단방향성 또는 양방향성, 전압 인가 방식 또는 전류 인가 방식, 전류 량, 속도 등) 또는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 그 자체에 대한 다양한 기술적 요구들(예를 들면, 램 또는 버퍼 메모리로써의 동작 가능성) 등을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 단계와 관련하여서는 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 신호의 특성이 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 단계와 관련하여서는, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 신호의 특성이 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 메모리 셀(MC)을 디자인하는 것이 필요할 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)은 도 77 내지 도 79를 참조하여 아래에서 설명될 교란 감소 및 읽기/쓰기 시간 축소의 기술적 효과를 극대화할 수 있도록 조합될 수 있다.
However, the cache and memory cells CC, MC need not be combined in the manner illustrated above. Based on consideration of other technical issues, such as, for example, manufacturing process, manufacturing cost, data retention characteristics, mismatching characteristics (to be described below) and ease of current path formation, the above described implementation may be mitigated or altered . Alternatively, the type of the memory element for the cache memory array (CMA) may be determined according to the operation principle of the memory cells MC, characteristics of the electrical signal for operation (for example, unidirectional or bidirectional, , The amount of current, the speed, etc.), or various technical requirements for the cache memory array (CMA) itself (e.g., operational capability as a RAM or buffer memory). For example, in relation to the CM-MM copy (S [WM]) step, the MM-CM may be configured so that the characteristic of the read signal of the cache cell CC matches the characteristic of the write signal of the memory cell MC The memory cell MC and the memory cell MC are connected in such a manner that the characteristic of the read signal of the memory cell MC matches the characteristic of the write signal of the cache cell CC, MC) may be needed. In addition, the cache and memory cells CC, MC can be combined to maximize the technical effect of disturbance reduction and read / write time reduction, which will be described below with reference to Figures 77-79.

이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37에 예시적으로 도시된 어레이 구조들 중의 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 37의 유형 A에서와 같이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는, 상기 내부 라인(VL/HL)을 채널 영역으로 이용하는, (예를 들면, 낸드 플래시 메모리의 셀 스트링에서와 같이) 직렬로 연결된 복수의 메모리 셀들(MC)을 포함하는 구조로 제공될 수 있다. The main memory array (MMA) may be configured to include one of the array structures illustrated by way of example in FIG. 37, although it is not limited thereto. For example, as in Type A of FIG. 37, the main memory array MMA may be configured to use the internal line VL / HL as a channel region (e.g., as in a cell string of a NAND flash memory) ) May be provided in a structure including a plurality of memory cells MC connected in series.

또는, 도 37의 유형 B, C 및 D에서와 같이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 상기 내부 라인(VL/HL)에 병렬로 연결된 복수의 메모리 셀들(MC)을 포함하는 구조로 제공될 수 있다. 이 경우, 일부 실시예들에 따르면, 상기 메모리 셀들(MC) 각각은 유형 D에서와 같이 정류 소자(예를 들면, 다이오드)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또는, 유형 B에서와 같이, 상기 내부 라인(VL/HL)은 도전 라인에 의해 전위가 제어되는 반도체 물질일 수 있으며, 상기 메모리 셀들(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전기적 연결은 상기 도전 라인에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 도 66을 참조하여 다시 설명될 것처럼, 상기 도전 라인과 상기 내부 라인(VL/HL)은 모오스 커패시터의 구조 또는 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 형성할 수 있다. Alternatively, as in types B, C, and D of FIG. 37, the main memory array MMA may be provided with a structure including a plurality of memory cells MC connected in parallel to the internal line VL / HL have. In this case, according to some embodiments, each of the memory cells MC may be configured to include a rectifying device (e.g., a diode) as in Type D. Alternatively, as in Type B, the internal line (VL / HL) may be a semiconductor material whose potential is controlled by a conductive line, and the electrical connection between the memory cells MC and the cache cell (CC) Can be controlled by a conductive line. For example, as will be described again with reference to FIG. 66, the conductive line and the internal line VL / HL may form a structure of a MOS capacitor or a vertical path control structure (VPCS).

한편, 상기 MM-CM 복사(S[RM])은 상기 메모리 셀들(MC)로부터 읽혀진 데이터를 상기 캐쉬 셀(CC)에 쓰는 과정일 수 있다. 다시 말해, 상기 MM-CM 복사(S[RM])에서, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 동작과 짝을 이루어 수행된다. 상기 CM-MM 복사(S[WM])은 상기 캐쉬 셀(CC)로부터 읽혀진 데이터를 상기 메모리 셀(MC)에 쓰는 과정일 수 있다. 다시 말해, 상기 CM-MM 복사(S[WM])에서, 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 동작과 짝을 이루어 수행될 수 있다. 이는 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])가 유효하게 수행되기 위해서는 도 38에 도시된 것처럼 상기 짝지어진 동작들이 전기적 또는 동작적인 특성들(예를 들면, 전류량 및 동작 시간)에서 서로 조화를 이루는 것이 필요함을 의미한다. Meanwhile, the MM-CM copy S [RM] may be a process of writing data read from the memory cells MC into the cache cell CC. In other words, in the MM-CM copy (S [RM]), the read operation of the memory cell MC is performed in a pair with the write operation of the cache cell CC. The CM-MM copy (S [WM]) may be a process of writing data read from the cache cell (CC) to the memory cell (MC). In other words, in the CM-MM copy (S [WM]), the write operation of the memory cell MC may be performed in a pair with the read operation of the cache cell CC. This means that in order for the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) to be validly performed, the paired operations must have electrical or operational characteristics , The amount of current and the operating time).

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 6의 유형 A-E에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 이러한 짝 맞춤의 유효성을 강화시키도록 구성되는 환경 구조체(EVS)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 환경 구조체(EVS)은 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC)을 연결하는 경로의 전기적 저항을 조절하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 환경 구조체(EVS)은, 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 데이터 교환 또는 복사 동작 동안 발생할 수 있는, 이들 사이의 전기적 특성에서의 불일치를 완화시키도록 구성되는 추가적인 메모리 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 데이터 교환 또는 복사 동작은 상기 환경 구조체(EVS)에 제공된 상기 추가적인 메모리 요소를 직접적으로 또는 간접적으로 경유하도록 구성되는 데이터 전달 과정을 포함할 수 있다. According to some embodiments of the present invention, the semiconductor device may further include an environmental structure (EVS) configured to enhance the effectiveness of such mating, as shown in Type A-E of Fig. For example, the environmental structure EVS may be configured to adjust an electrical resistance of a path connecting the memory cell MC and the cache cell CC. Alternatively, the environmental structure (EVS) may be an additional structure that is configured to mitigate discrepancies in electrical characteristics between them, which may occur during a data exchange or copy operation between the memory cell MC and the cache cell Memory elements. For example, the data exchange or copy operation may include a data transfer process configured to directly or indirectly pass the additional memory element provided in the environmental structure (EVS).

상기 환경 구조체(EVS)은 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작 환경(예를 들면, 온도)에 대한 변화를 가져오도록 구성될 수 있다. 상기 환경 구조체(EVS)은 국소적 또는 선택적으로 동작하도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 복수의 환경 제어 요소들 및 이들을 전기적으로 제어하는 도전 라인들을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 비트라인들이 광 도파로의 형태로 제공되는 경우, 상기 환경 구조체(EVS)은 전기적 신호를 광학적 신호로 또는 그 반대로 변환시키는 광전 변환 요소들을 포함할 수 있다. The environmental structure EVS may be configured to bring about a change in the operating environment (e.g., temperature) of the cache cell CC. The environmental structure (EVS) may be configured to operate locally or selectively, and may include a plurality of environmental control elements and conductive lines for electrically controlling them. In addition, when the bit lines are provided in the form of optical waveguides, the environmental structure (EVS) may include photoelectric conversion elements that convert electrical signals to optical signals or vice versa.

한편, 도 6의 유형 A-E에는, 상기 환경 구조체(EVS)이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 배선 구조체(UWS) 사이에 개재되는 예를 도시되고 있지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 환경 구조체(EVS)의 위치는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 것처럼, 다양하게 변형될 수 있다.
Meanwhile, in the type AE of FIG. 6, the environmental structure EVS is interposed between the main memory array MMA and the wiring structure UWS, but the embodiments of the present invention are not limited thereto no. For example, the location of the environmental structure (EVS) may be modified in various ways, as described with reference to Figs. 4-7.

도 39 내지 도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 이 실시예에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A에서와 같이 수직 채널 3차원 낸드 플래시의 구조(예를 들면, BiCS 또는 TCAT)를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 상에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류를 이용하여 동작하는 고속의 저항성 메모리 요소(예를 들면, STT-MTJ)인 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. FIGS. 39 to 43 are views for explaining the operation of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the main memory array (MMA) is configured to have a structure (e.g., BiCS or TCAT) of vertical channel three-dimensional NAND flash as in Type A of FIG. 37, and the cache memory array (CMA) May be configured to include cache cells (CC) arranged two-dimensionally on the main memory array (MMA). Herein, an embodiment will be described in which the cache cells CC are high-speed resistive memory elements (e.g., STT-MTJ) that operate using bidirectional currents.

상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 비트라인(BL)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에 개재될 수 있고, 상기 수직 라인(VL)은 기판(SUB)의 상부면에 수직한 반도체 패턴(즉, 실리콘)을 포함하고, 상기 수직 라인(VL)과 상기 수평 라인(HL) 사이에는 상기 메모리 셀들(MC)로서 기능하는 전하저장막(e.g., ONO)이 개재될 수 있다. 상기 수직 라인(VL)의 상기 반도체 패턴은, 예를 들면, 소오스 및 드레인 전극들로 사용되는 n형 불순물 영역들 및 이들 사이에 개재되는 피형 또는 진성의 수직 채널 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 n형 불순물 영역들은 상기 수직 채널 영역과 함께 정류 소자를 구성할 수 있는 금속-함유막으로 대체될 수 있다. The cache cells CC may be interposed between the bit lines BL and the main memory array MMA and the vertical lines VL may be formed in a semiconductor pattern perpendicular to the upper surface of the substrate SUB, Silicon), and a charge storage film (e.g., ONO) functioning as the memory cells MC may be interposed between the vertical line VL and the horizontal line HL. The semiconductor pattern of the vertical line (VL) may include, for example, n-type impurity regions used as source and drain electrodes and a vertical channel region of intervening embedded or intrinsic channel regions. According to some embodiments, the n-type impurity regions may be replaced with a metal-containing film capable of forming a rectifying element together with the vertical channel region.

상기 수평 라인들(HL) 또는 상기 워드라인들(WL)은 금속 또는 도핑된 실리콘을 포함할 수 있다. 복수의 게이트 라인들(GL)이 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에서 상기 비트라인들(BL)을 가로지를 수 있다. 상기 게이트 라인들(GL) 각각은 상기 수직 라인(VL)의 상기 반도체 패턴을 채널 영역으로 사용하는 트랜지스터(즉, 상기 선택자(T))의 게이트 전극으로 사용될 수 있으며, 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전기적 경로를 제어할 수 있다. The horizontal lines HL or the word lines WL may comprise metal or doped silicon. A plurality of gate lines GL may traverse the bit lines BL between the cache cells CC and the main memory array MMA. Each of the gate lines GL may be used as a gate electrode of a transistor (i.e., the selector T) using the semiconductor pattern of the vertical line VL as a channel region, And the cache cell (CC).

상기 선택자(T)의 존재에 의해, 상기 수직 채널 영역은 도 39, 도 40 및 도 43에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])를 위한 전기적 경로로서 사용되지 않는다. 이에 따라, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 가해질 수 있는 읽기 및 쓰기 교란의 문제는 감소될 수 있다. Due to the presence of the selector T, the vertical channel region is electrically coupled to the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]), as shown in Figures 39, It is not used as a path. Thus, the problem of read and write disturbances that can be applied to the main memory array (MMA) can be reduced.

상기 CM 쓰기(S[WC]) 동안, 도 39 및 도 40에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 라인들(CWL) 또는 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나와 복수의 비트라인들(BL)에 동작 전압들이 인가될 수 있다. 이 경우, 입력 데이터가 (예를 들면, 주변회로의 페이지 버퍼로부터) 상기 비트라인들(BL)을 통해 상기 캐쉬 셀들(CC)로 전달될 수 있다. 예를 들면, 입력하려는 데이터에 따라, 상기 비트라인들(BL) 중의 일부에 인가되는 전압(예를 들면, V1 or Vlow)은 다른 일부에 인가되는 전압(e.g., V2 or Vhigh)과 다를 수 있다. 이 경우, 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나에 상기 비트라인 전압들 중의 어느 하나와 실질적으로 동일한 전압을 인가하면, 상기 캐쉬 셀(CC)에 대한 쓰기 전류는, 그것이 연결된, 상기 비트라인(BL)과 상기 선택 소오스 라인(SL) 사이의 전위 차에 의해 선택적으로 형성될 수 있다. 도 39를 포함하는 이 출원서의 도면들에서, 물음표("?")는 그것이 가리키는 메모리 요소에 저장된 데이터에 의해 그것을 경유하는 전류 경로가 선택적으로 형성될 수 있음 또는 관련된 데이터 쓰기 동작이 선택적으로 수행될 수 있음을 의미한다. During the CM write (S [WC]), as shown in FIGS. 39 and 40, either one of the cache lines CWL or the selection source lines SL and the plurality of bit lines BL Operating voltages can be applied. In this case, input data may be transferred to the cache cells (CC) via the bit lines (BL) (for example, from a page buffer of a peripheral circuit). For example, depending on the data to be input, a voltage (e.g., V1 or V low ) applied to a part of the bit lines BL is different from a voltage (e.g., V2 or V high ) applied to another part . In this case, as shown, when a voltage substantially equal to any one of the bit line voltages is applied to any of the selection source lines SL, the write current for the cache cell CC , And a potential difference between the bit line (BL) and the selection source line (SL). 39, a question mark ("?") Indicates that a current path through it may be selectively formed by data stored in the memory element to which it is pointed, or a related data write operation may be selectively performed .

상기 CM-MM 복사(S[WM]) 동안, 도 39 및 도 41에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들(BL)에는 비트라인 전압(V_BL)이 인가되고, 상기 워드라인들(WL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 프로그램 전압(Vpgm)이 인가된다. 이 경우, 상기 비트라인(BL)으로부터 상기 셀 스트링으로의 전류 경로는 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 온 상태일 경우, 해당 채널 영역은 상기 비트라인과 실질적으로 같은 전위(즉, V_BL)(예를 들면, 0V)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 선택 워드라인에 인가되는 전압(즉, Vpgm)이 높을 경우, 에프-엔 터널링을 통한 프로그램이 발생한다. 반면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 오프 상태일 경우, 해당 채널 영역은 전기적으로 고립되어, 상기 워드라인들(WL)에 인가되는 전압들에 의해 증가된 전위를 갖게 된다. 그 결과, 상기 프로그램 전압과의 전위 차이가 감소될 수 있다. 즉, 셀프 부스팅 기술을 통한 프로그램 방지가 가능해질 수 있다. During the CM-MM copy (S [WM]), a bit line voltage (V_BL) is applied to the bit lines BL as shown in FIGS. 39 and 41, And a program voltage Vpgm is applied to one (hereinafter, selected word line). In this case, the current path from the bit line BL to the cell string may be selectively generated depending on the data stored in each of the cache cells CC. For example, when the cache cell CC is on, the corresponding channel region may have substantially the same potential (i.e., V_BL) (for example, 0V) as the bit line. In this case, when the voltage applied to the selected word line (i.e., Vpgm) is high, a program through F-en tunneling occurs. On the other hand, when the cache cell CC is off, the corresponding channel region is electrically isolated and has an increased potential due to the voltages applied to the word lines WL. As a result, the potential difference with the program voltage can be reduced. That is, it is possible to prevent the program through the self-boosting technique.

상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안, 도 39 및 도 42에 도시된 것처럼, 복수의 비트라인들(BL)과 상기 워드라인들(WL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 동작 전압들이 인가된다. 이 경우, 도 39에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각을 경유하는 전류 경로는 상기 선택 워드라인에 의해 제어되는 2차원 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터 각각에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 이러한 전류 경로가 생성되는 경우, 해당 캐쉬 셀(CC)의 데이터가 (예를 들면, 고저항 상태 또는 오프 상태로) 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 이전에, 상기 CM 초기화(S[IN])가 상기 캐쉬 셀들(CC)을 온 상태로 만들기 위해 실시될 수 있다. During the MM-CM copy (S [RM]), one of a plurality of bit lines BL and one of the word lines WL (hereinafter referred to as a selected word line) Operating voltages are applied. In this case, as shown in FIG. 39, the current path through each of the cache cells CC may be selectively generated depending on each of the data stored in the two-dimensional memory cells MC controlled by the selected word line have. When such a current path is generated, the data of the corresponding cache cell CC can be changed (for example, to a high resistance state or an OFF state). In some embodiments, prior to the MM-CM copy (S [RM]), the CM initialization (S [IN]) may be performed to turn on the cache cells (CC).

상기 CM 읽기(S[RC]) 동안, 도 39 및 도 43에 도시된 것처럼, 서로 다른 동작 전압들(V1, V2)이 상기 캐쉬 라인들(CWL) 또는 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나와 상기 비트라인들(BL)에 각각 인가될 수 있다. 이 경우, 인가 전압 조건에 따라, 도 39에 도시된 방향 또는 그 반대 방향의 전류가 상기 캐쉬 셀(CC)에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 주변 영역의 센스 앰프는 이러한 전류 경로의 생성에 의해 유발되는 비트라인의 전기적 상태(예를 들면, 전위)의 변동을 감지하도록 구성될 수 있다. 도 43에 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])은 페이지 단위(또는 그 이하)로 수행될 수 있다. During the CM reading (S [RC]), different operating voltages (V1, V2) are applied to either the cache lines (CWL) or the selection source lines (SL) And the bit lines BL, respectively. In this case, depending on the applied voltage condition, the current in the direction shown in Fig. 39 or the opposite direction can be selectively generated depending on the data stored in the cache cell CC. The sense amplifiers in the peripheral region can be configured to sense variations in the electrical state (e.g., potential) of the bit lines caused by the generation of such current paths. As shown in FIG. 43, the CM reading (S [RC]) may be performed page by page (or less).

상술한 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 일부분(예를 들면, 페이지 또는 그 이하)에 대해 선택적으로 및/또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대한 이러한 선택적 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근없이 독립적으로 수행될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 L1, L2, 또는 L3 캐쉬로서 사용될 수 있음을 의미한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터에 대한 장기간 보관이 필요하다고 판단되는 시점에 수행될 수 있다. 즉, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는, 예를 들면, 스토리지로서 사용될 수 있다. The read and write operations described above may be performed selectively and / or randomly for a portion (e.g., page or less) of the cache memory array (CMA). Also, such selective read and write operations to the cache memory array (CMA) may be performed independently without access to the main memory array (MMA). This means that the cache memory array (CMA) can be used as an L1, L2, or L3 cache. The access to the main memory array (MMA) may be performed when it is determined that long-term storage of data stored in the cache memory array (CMA) is required. That is, the main memory array (MMA) can be used as storage, for example.

한편, 상기 CM-MM 복사(S[WM])에서 상기 캐쉬 셀(CC)을 사용하여 셀프-부스팅시킬 경우, 종래 기술에서 요구되는, 스트링 선택 라인들(SSL)에 대한 필요가 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)의 오프 저항이 충분히 크다면, 상기 스트링 선택 라인들(SSL)이 없는 경우에도, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 유효하게 수행될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이것이 상기 스트링 선택 라인들(SSL)의 제거를 필수적으로 요구하지는 않는다. On the other hand, when performing self-boosting using the cache cell CC in the CM-MM copy (S [WM]), the need for string selection lines SSL required in the prior art can be reduced . For example, if the off-resistance of the cache cell CC is sufficiently large, the CM-MM copy (S [WM]) can be effectively performed even when there is no string selection lines SSL. Nevertheless, this does not necessarily require the removal of the string selection lines (SSL).

일부 실시예들에 따르면, 도 44에 도시된 것처럼, 상기 스트링 선택 라인(SSL)은 상기 선택자(ST)의 상기 게이트 라인(GL)으로 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 수직 라인(VL)을 구성하는 반도체 패턴은 상기 선택자(ST)의 활성 패턴으로 사용되고, 상기 비트라인(BL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전류 경로는 상기 게이트 라인(GL) 또는 상기 스트링 선택 라인(SSL)에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 비트라인(BL)은 상기 스트링 선택 라인(SSL)을 패터닝하는 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 반도체 패턴과 정류 소자를 형성할 수 있는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 정류 소자를 구현할 수 있는 도전성 박막(예를 들면, n+ 폴리실리콘)이 상기 비트라인(BL)과 상기 반도체 패턴(VL) 사이에는 더 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 비트라인(BL)은 상기 게이트 라인(GL)을 가로지르도록 형성될 수 있다According to some embodiments, as shown in FIG. 44, the string selection line SSL can be used as the gate line GL of the selector ST. In this embodiment, the semiconductor pattern constituting the vertical line VL is used as the active pattern of the selector ST, and the current path between the bit line BL and the cache cell CC is the gate line GL) or the string selection line (SSL). In some embodiments, the bit line BL may be formed using a process of patterning the string selection line SSL, and may be formed of a conductive material capable of forming the rectification element with the semiconductor pattern . In other embodiments, a conductive thin film (e.g., n + polysilicon) capable of implementing the rectifying element may further be provided between the bit line BL and the semiconductor pattern VL. According to some embodiments, the bit line BL may be formed to traverse the gate line GL

한편, 도 45에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])의 방식을 통해 (예를 들면, 페이지 단위로) 프로그램될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 오프 상태일 때에도 충분히 높은 저항값을 갖지 못한다면, 상술한 셀프 부스팅 기술을 구현하기 어려울 수도 있다. 이러한 경우, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 단계가 실시될 수 있다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 소거 동작은 알려진 종래의 기술들에 기초하여 동일하게 실시될 수 있다. On the other hand, as shown in FIG. 45, the main memory array (MMA) can be programmed (for example, on a page basis) by way of the MM direct write (S [WMd]). For example, if the cache cells CC do not have a sufficiently high resistance value even when the cache cells CC are off, it may be difficult to implement the self-boosting technique described above. In this case, the MM direct write (S [WMd]) step may be performed. The erase operation for the main memory array (MMA) may be performed identically based on known conventional techniques.

상기 CM 초기화(S[IN])는 도 45에 도시된 것처럼 세가지 방법들 중의 하나를 이용하여 실시될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 초기화(S[IN])는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근(즉, 교란)없이 상기 선택자(ST)를 경유하는 전류 경로를 이용하여 실시되거나, 상기 공통 소오스 라인(CSL)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 경유하는 전류 경로를 이용하여 실시될 수 있다. 상기 CM 초기화(S[IN])가 상기 선택자(ST)를 경유하는 전류를 이용하여 실시될 경우, 챕터 단위로 실시될 수 있다. 이 경우, 대 전류가 상기 선택 소오스 라인(SL) 또는 상기 비트라인(BL)을 통해 방전될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이러한 대전류 방전을 가능하게 하도록, 상기 선택 소오스 라인(SL) 또는 상기 비트라인(BL)은 충분히 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. The CM initialization (S [IN]) may be implemented using one of the three methods as shown in FIG. For example, the CM initialization (S [IN]) may be performed using a current path via the selector (ST) without access (i.e., disturbance) to the main memory array (MMA) (CSL) and the main memory array (MMA). If the CM initialization (S [IN]) is carried out using the current via the selector ST, it may be performed on a chapter-by-chapter basis. In this case, a large current can be discharged through the selection source line SL or the bit line BL. According to some embodiments, in order to enable such a large current discharge, the selection source line SL or the bit line BL may be formed to have a sufficiently thick thickness.

도 46에 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인(SL)이 상기 선택자(ST)의 상부에 제공될 경우, 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상술한 대전류 방전을 가능하게 만드는 두꺼운 두께(예를 들면, 100nm-5um)의 판 형태로 제공될 수 있다. 도 46에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인(SL)이 상기 선택자(ST)의 상부에 제공되는 경우에도, 상기 CM 쓰기(S[WC]), 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 유효하게 수행될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들이 도 46에 예시된 것에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 비트라인(BL)은 상기 게이트 라인(GL)을 가로지르도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 선택자(ST)의 구조 또는 예시된 전압 조건들은 상기 캐쉬 셀들(CC)의 유형 및 동작 방법에 따라 보다 다양하게 변화될 수 있다.
46, when the selection source line SL is provided on the upper portion of the selector ST, the selection source line SL is formed to have a large thickness (for example, 100 nm-5 um). The CM write (S [WC]), the CM-MM copy (S [WM]), and the CM write ), The MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]). However, the embodiments of the present invention are not limited to those illustrated in Fig. According to some embodiments, the bit line BL may be formed to traverse the gate line GL. In addition, the structure of the selector ST or the illustrated voltage conditions may be more variously changed depending on the type of the cache cells CC and the operating method.

도 47 내지 도 52는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 이 실시예에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D에서와 같이 상기 내부 라인(VL)에 병렬로 연결된 가변저항 메모리 요소들을 포함하도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 위 또는 아래에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류 특성을 갖는 메모리 요소들인 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 36을 참조하여 설명된 FBM 또는 Z-RAM의 형태로 제공될 수 있다. 상기 캐쉬 셀들(CC)이 단방향 전류 특성을 가질 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 양방향 전류의 경우에 비해 용이하게 또는 단순화된 구조로 구현될 수 있다. 예를 들면, 단방향 전류 특성은 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)를 통해 구현될 수 있기 때문에, 양방향 전류 특성을 구현하기 위해 3단자 스위칭 소자(예를 들면, 트랜지스터)를 사용할 경우에 비해 단순화된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 단방향 전류 특성을 갖는, 실시예들에 대한 설명은 생략한다. 47 to 52 are views for explaining the operation of the semiconductor device according to another embodiment of the present invention. According to this embodiment, the main memory array (MMA) is configured to include variable resistive memory elements connected in parallel to the internal line (VL) as in Type D of Figure 37, the cache memory array (CMA) And cache cells (CC) arranged two-dimensionally above or below the main memory array (MMA). Herein, an embodiment in which the cache cells CC are memory elements having bi-directional current characteristics will be exemplarily described. For example, the cache cells CC may be provided in the form of FBM or Z-RAM as described with reference to FIG. When the cache cells CC have a unidirectional current characteristic, the cache memory array (CMA) can be implemented easily or in a simplified structure as compared with the case of bi-directional current. For example, since the unidirectional current characteristic can be realized through a two-terminal switching element (for example, a diode), compared with the case of using a three-terminal switching element (for example, a transistor) It can have a simplified structure. Therefore, description of the embodiments in which the cache cells CC have a unidirectional current characteristic is omitted.

상기 내부 라인(VL)은 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)을 구성하는 상기 캐쉬 셀(CC)과 상기 선택자(ST) 사이에 위치하는 연결 노드에 연결될 수 있다. (상기 내부 라인은 상기 수평 라인들(HL, HLx, HLy) 중의 어느 하나일 수도 있지만, 설명의 간결함을 위해 이러한 실시예들에 대한 설명은 생략한다.) 상기 비트라인들(BL) 각각은 상기 캐쉬 셀(CC)을 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 선택자(ST)를 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 선택자(ST)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 상기 게이트 라인(GL)에 의해 제어될 수 있다. The internal line VL may be connected to a connection node located between the cache cell CC and the selector ST constituting the unit cache memory CMU. (The internal line may be any one of the horizontal lines HL, HLx, and HLy, but a description of these embodiments is omitted for the sake of simplicity of explanation.) Each of the bit lines BL Can be connected to the internal line (VL) via a cache cell (CC) and the operation of the cache cell (CC) can be controlled by a cache control line (CL) across the bit lines (BL) . The selection source line SL may be connected to the internal line VL via the selector ST and the operation of the selector ST may be connected to the gate line GL crossing the bit lines BL ). ≪ / RTI >

도 47 내지 도 52은 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 3차원 메모리 장치의 여러 동작들 또는 이들을 위한 전류 경로의 생성이 이러한 구성 또는 구조를 통해 구현될 수 있음을 예시적으로 보여준다. 예를 들면, 앞선 실시예들에서와 동일하게, 상기 선택자(ST)의 존재에 의해, 도 48, 도 51, 및 도 52에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]), 상기 CM 읽기(S[RC]), 및 상기 CM 초기화(S[IN]) 동안 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란을 유발하지 않는 전류 경로를 생성하는 것이 가능하다. 또한, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])은 신호의 전송 방향에서의 차이를 가질 수 있지만, 도 49 및 도 50에 도시된 것처럼 챕터 단위로 (즉, 2차원적으로) 수행될 수 있다. Figs. 47-52 illustrate illustratively that the various operations of the three-dimensional memory device described with reference to Figs. 15-29, or the generation of a current path for them, can be implemented through such a structure or structure. 48, 51 and 52, the CM write (S [WC]), the CM read (S [WC]), and the CM read It is possible to generate a current path that does not cause disturbance to the main memory array (MMA) during the initialization (S [RC]) and the CM initialization (S [IN]). In addition, although the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) may have a difference in the direction of signal transmission, (I.e., two-dimensionally).

본 발명의 실시예들이 도 47 내지 도 52에 도시된 전압 조건, 회로 구조 또는 배선 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 53은 상기 게이트 라인들(GL)이 서로 연결되어, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중에서 인접하는 것들의 공통 게이트 전극으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한, 전류 방향은 도 47에 예시된 것에 한정되는 것이 아니며, 개발자의 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 구조 및 연결은, DRAM, FRAM, 또는 노어 플래시 등에서 사용되는 종래의 셀 어레이 구조들 중의 하나에 기초하여, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들을 구현하도록 변형될 수 있다.
The embodiments of the present invention are not limited to the voltage conditions, the circuit structure, or the wiring structure shown in Figs. 47 to 52. For example, FIG. 53 shows that the gate lines GL are connected to each other and can be used as common gate electrodes of adjacent ones of the cache cells CC. The current direction is not limited to that illustrated in FIG. 47, and may be variously modified according to the needs of the developer. In addition, the structure and connection of the cache cells CC may be implemented using any of the conventional cell array architectures used in DRAM, FRAM, NOR flash, etc. to implement the operations described with reference to Figures 15 to 29 .

도 54는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예에 따르면, 도 47을 참조하여 설명된 실시예와 동일하게, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 D의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 하지만, 이 실시예에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 47의 구조로부터 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 54에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들(BL) 각각은 상기 선택자(ST)를 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 선택자(ST)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 상기 게이트 라인(GL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 캐쉬 셀(CC)을 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조에서의 이러한 차이에도 불구하고, 도 47의 실시예와 유사하게, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 이 실시예에 따른 구조를 통해서도 유효하게 구현될 수 있음을 도 54는 보여준다. 54 is a view for explaining the operation of the semiconductor device according to the modified embodiment of the present invention. According to this embodiment, like the embodiment described with reference to FIG. 47, the main memory array (MMA) is configured to have the structure of type D of FIG. 37, and the cache memory array (CMA) May be configured to have the structure of type D of FIG. However, in this embodiment, the internal structure of the cache memory array (CMA) can be modified from the structure of FIG. For example, as shown in FIG. 54, each of the bit lines BL may be connected to the internal line VL via the selector ST, and the operation of the selector ST may be connected to the bit line Lt; RTI ID = 0.0 > BL. ≪ / RTI > The selection source line SL may be connected to the internal line VL via the cache cell CC and the operation of the cache cell CC may be connected to a cache control line CK crossing the bit lines BL. (CL) < / RTI > Despite this difference in the internal structure of the cache memory array (CMA), similar to the embodiment of Fig. 47, the operations described with reference to Figs. 15 to 29 are also effectively implemented through the structure according to this embodiment Lt; / RTI >

도 55는 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 C의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 비트라인(BL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 2단자 메모리 요소(예를 들면, 가변저항 메모리 요소)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하도록 구성될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 선택자(ST)를 통해 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있다. 도 55는 상기 캐쉬 셀(CC)이 2단자 메모리 요소의 형태로 제공되는 경우에도 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 보여준다. 55 is a view for explaining the operation of the semiconductor device according to another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array (MMA) is configured to have the structure of type D of FIG. 37 and the cache memory array (CMA) may be configured to have the structure of type C of FIGS. 34 and 35 have. That is, the cache memory array (CMA) uses a two-terminal memory element (for example, a variable resistance memory element) provided between the bit line BL and the internal line VL as the cache cell CC . The selection source line SL may be connected to the internal line VL through the selector ST. FIG. 55 shows that the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 can be effectively implemented even when the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element.

도 56는 본 발명의 또 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 D의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 54의 그것과 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, FBM 또는 Z-RAM)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하도록 구성될 수 있다. 하지만, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 55의 그것과 실질적으로 동일하도록 변형될 수도 있다. 도 56는 상기 캐쉬 셀(CC)이 2단자 메모리 요소의 형태로 제공되고, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 낸드 스트링의 구조로서 제공되는 경우에도 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 보여준다. 56 is a view for explaining the operation of the semiconductor device according to still another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array (MMA) is configured to have a structure of type A of FIG. 37 and the cache memory array (CMA) may be configured to have the structure of type D of FIGS. 34 and 35 have. The internal structure of the cache memory array (CMA) may be configured substantially the same as that of FIG. In other words, the cache memory array (CMA) can supply a three-terminal memory element (for example, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL to the cache cell CC, As shown in FIG. However, the internal structure of the cache memory array (CMA) may be modified to be substantially the same as that of FIG. 56 is a block diagram showing a case where the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element and the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 are effective even when the main memory array MMA is provided as a structure of a NAND string Can be implemented.

도 57는 본 발명의 또 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 B의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, FBM 또는 Z-RAM)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하고, 상기 비트라인(BL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)를 상기 선택자(ST)로 사용하도록 구성될 수 있다. 상기 선택자(ST)로서 2단자 스위칭 소자를 사용하는 경우에도, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 도 57는 보여준다.
57 is a view for explaining the operation of the semiconductor device according to still another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array (MMA) is configured to have the structure of type D of Figure 37, and the cache memory array (CMA) may be configured to have the structure of type B of Figures 34 and 35 have. In other words, the cache memory array (CMA) can supply a three-terminal memory element (for example, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL to the cache cell CC, And a two-terminal switching element (for example, a diode) provided between the bit line BL and the internal line VL may be used as the selector ST. The operation described with reference to Figs. 15 to 29 can be effectively implemented even when a two-terminal switching element is used as the selector ST.

도 58은 상기 CM-CM 복사(S[CC]) 단계의 구현의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 58에 도시된 것처럼, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)가 도 34의 유형 D의 구조로 제공되는 실시예들에서 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 유효하게 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들(P1, P2)에서, 상기 선택 소오스 라인들(SL) 사이에는 소정의 전위차(e.g., Vcc-GND)가 형성되고, 상기 캐쉬 라인들(CL)에는 서로 다른 동작 전압들(Vread and Vwrite)이 각각 인가될 수 있다.
58 is a diagram showing an example of an implementation of the CM-CM copy (S [CC]) step. As shown in FIG. 58, the CM-CM copy (S [CC]) in embodiments in which the unit cache memory (CMU) is provided with the structure of type D of FIG. 34 can be performed effectively. For example, a predetermined potential difference (eg, Vcc-GND) is formed between the selection source lines SL in two different parts P1 and P2 of the cache memory array CMA, Different operating voltages V read and V write may be applied to the transistors CL.

도 59 및 도 60은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도들이다. 도 59 및 도 60에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A에서와 같이 수직 채널 3차원 낸드 플래시의 구조(예를 들면, BiCS 또는 TCAT)를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 상에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 양방향 전류를 이용하여 동작하는 고속의 저항성 메모리 요소(예를 들면, STT-MTJ)일 수 있다. 상기 비트라인들(BL)은 도 59에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC) 상에 제공되거나 도 60에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에 제공될 수 있다. 다시 말해, 도 60은 도 44를 참조하여 설명된 실시예에 따른 3차원 반도체 장치의 한 예를 도시하는 것일 수 있다. 도 60의 실시예에서, 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 캐쉬 셀들(CC) 상에 제공되기 때문에, 두꺼운 두께의 판 형태로 그리고 낮은 비저항의 물질로 형성될 수 있다. 이는 상술한 대전류 방전을 가능하게 한다. 59 and 60 are perspective views showing a semiconductor device according to some embodiments of the present invention. 59 and 60, the main memory array (MMA) is configured to have a structure of vertical channel three-dimensional NAND flash (for example BiCS or TCAT) as in type A of FIG. 37, and the cache memory array CMA) may be configured to include cache cells (CC) arranged two-dimensionally on the main memory array (MMA). Here, the cache cells CC may be high-speed resistive memory elements (e.g., STT-MTJ) that operate using bi-directional currents. The bit lines BL may be provided on the cache cells CC as shown in FIG. 59 or may be provided between the cache cells CC and the main memory array MMA as shown in FIG. 60 . In other words, Fig. 60 may be an example of a three-dimensional semiconductor device according to the embodiment described with reference to Fig. In the embodiment of FIG. 60, since the selection source line SL is provided on the cache cells CC, it can be formed in a thick-plate form and in a low resistivity material. This enables the above-described large current discharge.

도 61 내지 도 65는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 도면들이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 아래에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성되고, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 36을 참조하여 설명된 Z-RAM 또는 FBM을 포함하도록 구성될 수 있다. 도 61에 도시된 장치는 도 47를 참조하여 설명된 실시예를 구현한 예들 중의 하나일 수 있고, 도 62 내지 도 65는 도 54 및 도 56를 참조하여 설명된 실시예들을 구현한 예들일 수 있다. 상기 선택자(ST) 또는 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 61에 도시된 것처럼 매몰 산화막(BOX)을 포함하는 SOI 기판을 이용하는 평면형 트랜지스터의 형태로 구현되거나, 도 63에 도시된 것처럼 수직 채널 서라운드 게이트 트랜지스터의 형태로 구현되거나, 도 62에 도시된 것처럼 이들 두 트랜지스터 구조들의 조합을 통해 구현될 수 있다. 61 to 65 are views showing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention. According to these embodiments, the cache memory array (CMA) is configured to include cache cells (CC) arranged two-dimensionally under the main memory array (MMA), and the cache cells (CC) RAM or FBM as described with reference to FIG. The apparatus shown in Fig. 61 may be one of the examples implementing the embodiment described with reference to Fig. 47, and Figs. 62 to 65 may be examples of implementing the embodiments described with reference to Figs. 54 and 56 have. The selector ST or the cache cells CC may be implemented in the form of a planar transistor using an SOI substrate including a buried oxide film BOX as shown in FIG. 61, or a vertical channel surround gate transistor Or may be implemented through a combination of these two transistor structures as shown in FIG.

한편, 상기 선택자(ST)의 종류 및 배치 등은 도시된 것처럼 모오스 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 요구되는 전기적 특성들에 상응하는 구조를 갖도록 다양하게 변형될 수 있다. 이에 더하여, 일부 실시예들에서, 상기 선택자(ST)는 그 자체로서 상기 캐쉬 셀(CC)로서 기능하도록 구성될 수 있으며, 이 경우, 도 72를 참조하여 설명될 실시예들에서의 기술적 특징들을 구현할 수 있다.
The types and arrangement of the selectors ST are not limited to the MOS transistors as shown in the drawings, but may be variously modified to have a structure corresponding to the electrical characteristics required for the cache cells CC. In addition, in some embodiments, the selector ST may be configured to function as the cache cell CC by itself, in which case the technical features in the embodiments to be described with reference to Figure 72 Can be implemented.

도 66은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다. 이 실시예에 따르면, 상기 수직 라인들 각각은 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 구성할 수 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)와 관련된 기술적 특징들은, 그 내용이 본 발명의 일부로서 완전하게 포함되는, PCT 공개번호 WO 2010/018888 (2010.02.18) 및 미국 출원번호 13/059,059에 개시되고 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)의 사용은, 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 정류 요소(예를 들면, 다이오드)을 배치하지 않는 경우에도, 3차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC) 사이의 기생 전류 경로(sneak path)를 차단하는 것을 가능하게 한다. FIG. 66 is a view exemplarily showing a semiconductor device and a part of the operation thereof according to other embodiments of the present invention. FIG. According to this embodiment, each of the vertical lines may constitute a vertical path control structure (VPCS). Technical features relating to the vertical path control structure (VPCS) are disclosed in PCT Publication No. WO 2010/018888 (2010.02.18) and U.S. Application No. 13 / 059,059, the contents of which are fully incorporated as part of the present invention . The use of the vertical path control structure VPCS is advantageous in that even when rectifying elements (e.g., diodes) are not disposed in each of the memory cells MC, the parasitic capacitance between the memory cells MC arranged three- Thereby making it possible to shut off the sneak path.

보다 구체적으로, 비트라인들(BL) 중의 하나 및 게이트 라인들(GL) 중의 하나를 선택하면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택될 수 있지만, 상기 수직 라인(VL)이 금속성 물질로 형성될 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택되더라도, 감춰진 기생 경로들을 완전히 차단할 수는 없다. 하지만, 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)은 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 연결되며 상기 수직 라인(VL)으로 사용되는 반도체 패턴 및 상기 반도체 패턴을 마주보도록 배치되어 상기 반도체 패턴의 전위를 제어하는 수직 제어 전극을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상술한 감춰진 기생 전류 경로(sneak path)의 생성을 차단할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와의 연결을 위해, 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 사용할 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에서 정류 소자를 사용하지 않으면서도 그것의 내부에 기생 전류 경로(sneak path)가 생성되는 것을 차단할 수 있다. 상기 정류 소자가 생략되기 때문에, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 구조 및 이를 제조하는 방법이 단순화될 수 있으며, 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메모리 셀들(MC) 사이의 짝맞춤 또는 조합에 대한 기술적 요건들이 완화될 수 있다.
More specifically, when one of the bit lines BL and one of the gate lines GL is selected, one of the cache cells CC can be selected uniquely, It is not possible to completely block hidden parasitic paths, even if one of the cache cells CC is uniquely selected. However, the vertical path control structure (VPCS) may include a semiconductor pattern connected to each of the cache cells CC and used as the vertical line VL, and a vertical line VL disposed to face the semiconductor pattern to control the potential of the semiconductor pattern. And may include a control electrode. In this case, the generation of the above-described hidden parasitic current path (sneak path) can be blocked. In other words, when the vertical path control structure (VPCS) is used for connection to the cache memory array (CMA), a parasitic current path (not shown) is used in the main memory array (MMA) sneak path can be prevented from being generated. The structure of the main memory array (MMA) and the method of manufacturing the main memory array MMA can be simplified, and the technical or functional relationship between the cache cells CC and the memory cells MC can be simplified. Requirements can be mitigated.

도 67은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 메모리 셀들(MC)은 정류 소자를 포함함으로써 단방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])에 사용되는 전류들은, 도 67에 도시된 것처럼, 같은 방향을 가질 수 있다. 반면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 양방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 메모리 셀들(MC)을 경유하는 전류 경로는, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 초기화를 위해 사용되기 어렵다. 하지만, 도 67에 도시된 것처럼, 별도의 전류 경로(DL)를 형성함으로써, 이러한 초기화의 어려움은 해결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 별도의 전류 경로(DL)은 상기 워드라인들(WL) 중의 하나를 사용하여 구현될 수 있다.67 is a schematic diagram illustrating three-dimensional memory devices and paths of operating currents in accordance with some embodiments of the present invention. According to some embodiments, the memory cells MC may be configured to have a unidirectional current characteristic by including a rectifying element. In this case, the currents used for the CM-MM copy (S [WM]), the MM-CM copy (S [RM] It can have the same direction. On the other hand, the cache cells CC may be configured to have bi-directional current characteristics. In this case, the current path through the memory cells MC is hardly used for initializing the cache cells CC. However, by forming a separate current path DL as shown in Fig. 67, this initialization difficulty can be solved. In some embodiments, the separate current path DL may be implemented using one of the word lines WL.

한편, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류 특성을 갖지 않거나 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성의) 메모리 요소일 경우, 상기 별도의 전류 경로를 형성할 필요는 없을 수 있다. 또한, 이러한 별도의 전류 경로는 상기 캐쉬 셀들(CC) 및 상기 메모리 셀들(MC)의 종류 및 이들의 조합된 특성에 기초하여 적응적으로(adaptively) 구현될 수 있으며, 도 67에 도시된 한 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 별도의 전류 경로(DL) 및 상기 비트라인(BL)에 연결된 스위칭 트랜지스터들의 게이트 전극들은 도시된 것과 달리 독립적으로 제어될 수 있다. On the other hand, if the cache cells CC do not have a bi-directional current characteristic or are short-retention characteristic (i.e., volatile) memory elements, it may not be necessary to form the separate current path. This separate current path can also be adaptively implemented based on the types of the cache cells CC and the memory cells MC and their combined characteristics, . For example, the separate current path DL and the gate electrodes of the switching transistors connected to the bit line BL can be controlled independently from those shown.

도 68은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치를 도시하는 개략 사시도이다. 예를 들면, 도 68의 장치는 도시된 것처럼 복수의 블록들을 포함할 수 있으며, 상기 블록들 각각은 도 4의 제 1 기본 구조의 형태로 제공될 수 있다. 상기 블록들은 비트라인 디코더 및/또는 센스 앰프(BLD/SA)에 연결된 상기 비트라인 구조체(BLS)에 병렬적으로 연결되고, 그 각각의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 독립적인 워드라인 디코더(WLD)에 연결될 수 있다. 68 is a schematic perspective view showing a semiconductor memory device according to some embodiments of the present invention. For example, the apparatus of FIG. 68 may include a plurality of blocks as shown, each of which may be provided in the form of a first basic structure of FIG. The blocks are connected in parallel to the bit line structure BLS connected to a bit line decoder and / or a sense amplifier BLD / SA, and each of the main memory arrays MMA is connected to an independent word line decoder WLD .

본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 2차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우에도, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란 감소 및 속도 증가 등을 구현하기 위해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 주변 회로 사이에 제공될 수 있다. According to the modified embodiments of the present invention, the main memory array (MMA) may be configured to include two-dimensionally arranged memory cells MC. In this case, the cache memory array (CMA) may be provided between the main memory array (MMA) and the peripheral circuit to implement disturbance reduction, speed increase, and the like for the main memory array (MMA).

도 69 및 도 70는, 그것의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 도 2의 유형 B의 구조를 갖는, 3차원 반도체 메모리 장치들의 일부 예들을 도시하는 회로도들이다. 도 69를 참조하면, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 비트라인들(BL)은 상기 캐쉬 라인들(CWL)을 가로질 수 있다. 도 70을 참조하면, 상기 비트라인들(BL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 비트라인들(BL)를 가로지를 수 있다. 큰 점선은 각 챕터를 나타내고, 작은 점선은 각 페이지를 나타낸다. Figs. 69 and 70 are circuit diagrams showing some examples of three-dimensional semiconductor memory devices in which the main memory array (MMA) thereof has the structure of type B of Fig. 69, the cache lines CWL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the bit lines BL may cross the cache lines CWL. Referring to FIG. 70, the bit lines BL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the cache lines CWL may cross the bit lines BL. A large dotted line represents each chapter, and a small dotted line represents each page.

도 71 및 도 72는 본 발명의 변형된 실시예들의 일부를 도시하는 개략적인 회로도들이다. 도 71 및 도 72에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 각각에서, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 다층 또는 다열 구조로 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 71에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 3차원적으로 배열되고, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬로 연결될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 적어도 두 층의 챕터들을 포함할 수 있으며, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)은 3차원의 블록 구조를 가질 수 있음을 의미한다. 또는, 도 72에 도시된 것처럼, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 병렬로 연결될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 2차원의 블록 구조를 갖지만, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)은 적어도 두 층의 챕터들을 저장할 수 있도록 구성될 수 있음을 의미한다71 and 72 are schematic circuit diagrams showing a part of modified embodiments of the present invention. 71 and 72, in each of the cache memory arrays (CMA), the cache cells CC may be provided in a multi-layered or multi-row structure. For example, as shown in FIG. 71, the cache cells CC may be three-dimensionally arranged, and at least two cache cells CC may be serially connected to each of the first horizontal lines HLx . This means that the cache memory array (CMA) can include chapters of at least two layers, and the cache memory array (CMA) can have a three-dimensional block structure. Alternatively, as shown in FIG. 72, at least two cache cells CC may be connected in parallel to each of the first horizontal lines HLx. This means that the cache memory array (CMA) has a two-dimensional block structure, but the cache memory array (CMA) can be configured to store at least two layers of chapters

도 71 또는 도 72에 도시된 것처럼, 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되는 경우, 이들은 서로 다른 기능 또는 보다 향상된 동작 속도를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 이들 중의 하나는 상기 CM-MM 복사 또는 상기 MM-CM 복사를 수행하는데 사용되고, 다른 하나는 상기 CM-MM 복사 또는 상기 MM-CM 복사 동안 해당 챕터 또는 다른 챕터에 쓰여질 챕터 데이터를 임시로 보관하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 복수의 챕터 데이터를 보관할 수 있도록 구성될 수 있다. As shown in FIG. 71 or 72, when a plurality of the cache cells CC are connected to each of the first horizontal lines HLx in series or in parallel, they may perform different functions or implement a higher operation speed Lt; / RTI > For example, one of them is used to perform the CM-MM copy or the MM-CM copy, and the other is used to temporarily store the chapter data to be written to the corresponding chapter or another chapter during the CM-MM copy or the MM- Lt; / RTI > That is, the cache memory array (CMA) can be configured to store a plurality of chapter data.

또는 상기 메모리 셀들(MC)이 다중레벨 셀(MLC)를 구현할 수 있는 메모리 요소일 경우, 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 연결되는 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)의 이러한 다중레벨 특성을 구현하기 위해 사용될 수 있다. (MC) connected to each of the first horizontal lines (HLx) is connected to the memory cells MC (MC) connected to the first horizontal lines HLx when the memory cells MC are memory elements capable of implementing a multi-level cell ) ≪ / RTI > characteristics of the memory cell.

다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 다중레벨 특성을 구현할 수 있는 메모리 요소일 수 있으며, 이 경우, 도 71 또는 도 72를 참조하여 설명된 기술적 특징들(예를 들면, 다양한 기능 또는 향상된 동작 속도)은 이러한 다중 레벨 캐쉬 셀들(CC)을 이용하여 구현될 수 있다. According to other modified embodiments, each of the cache cells CC may be a memory element capable of implementing multilevel features, in which case the technical features described with reference to Figure 71 or Figure 72 , Various functions or improved operating speed) can be implemented using these multi-level cache cells (CC).

도 71 및 도 72에 도시된 회로적인 측면에서의 기술적 특징들은, 물리적인 측면에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 단층 또는 다층 구조로서 형성함으로써 구현될 수 있다. 이에 더하여, 도 4에 도시된 구조들 각각, 역시, 도 71 및 도 72를 참조하여 설명된 기술적 특징 또는 기술적 효과를 구현하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 도 71 및 도 72의 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 yz 평면에 평행한 것으로 도시되었지만, xz 또는 xy 평면에 평행하도록 구성될 수 있다. The technical features in the circuit aspects shown in FIGS. 71 and 72 can be implemented by forming the cache memory array (CMA) as a single layer or a multilayer structure in terms of the physical aspects. In addition, each of the structures shown in Fig. 4 may also be configured to implement the technical features or technical effects described with reference to Figs. 71 and 72, too. Similarly, the cache memory arrays (CMA) of Figures 71 and 72 are shown as being parallel to the yz plane, but may be configured to be parallel to the xz or xy plane.

도 73는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 메모리 반도체 칩의 일 예를 도시하고, 도 74는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 프로세서의 한 예(e.g., CPU 또는 AP)를 도시한다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치는 도 73 및 도 74에 예시적으로 도시된 구조적 특징을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 74의 프로세서 칩에 있어서, 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이(MMA, CMA)는 단일 집적(monolithic) 방식으로 형성된 하나의 칩의 일부분들일 수 있으며, 그 각각은 L1 및 L2 캐쉬들로서 또는 L2 및 L3 캐쉬들로서 사용될 수 있다. 도 73 및 도 74의 반도체 칩들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대해 캐쉬 알고리즘 또는 도 15 내지 도 29의 단계들 각각을 적응적으로 수행하도록 구성되는 회로들(예를 들면, 컨트롤러)을 더 구비할 수 있다.
73 shows an example of a memory semiconductor chip including the main memory array (MMA) and the cache memory array (CMA), FIG. 74 shows an example of the main memory array (MMA) and the cache memory array (CMA) (E.g., a CPU or an AP). That is, the semiconductor device according to the embodiments of the present invention can be configured to have the structural characteristics exemplarily shown in Figs. 73 and 74. Fig. 74, the main and cache memory arrays (MMA, CMA) may be portions of a single chip formed in a single monolithic manner, each of which may be a combination of L1 and L2 May be used as caches or as L2 and L3 caches. The semiconductor chips of FIGS. 73 and 74 further include circuits (e.g., a controller) configured to adaptively perform the cache algorithm or the steps of FIGS. 15-29 for the cache memory array (CMA) can do.

상술한 것처럼 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성된다. 하지만, 상기 평면은 데이터-계층 구조적인 측면에서의 평면을 의미할 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 한 챕터가 블록들 중의 특정한 하나에 한정되는 개념이 아님을 의미한다. 예를 들면, 도 75에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 복수의 블록들 각각에 분산된, 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)로 구성될 수 있다. As described above, the chapter consists of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane. However, the plane may refer to a plane in the data-hierarchical aspect. This means that a chapter of the cache memory array (CMA) is not limited to a specific one of the blocks. For example, as shown in FIG. 75, the cache memory array (CMA) may be composed of partial cache memory arrays (PCMA) distributed in each of a plurality of blocks.

일부 실시예들에 따르면, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각을 구성하는 상기 캐쉬 셀들(CC)의 수(이하, 캐쉬 밀도)는 (예를 들면, 그것에 연결된) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 어느 한 블록의 어느 한 챕터를 구성하는, 상기 메모리 셀들(MC)의 수(이하, 저장소 밀도)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 클 수 있다. 예를 들면, 도 71 및 도 72를 참조하여 설명된 실시예들에서와 같이, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도의 두 배일 수 있다. 또 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각은 페이지 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 76에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 VG-NAND 구조를 갖는 복수의 메인 메모리 블록들 및 상기 메인 메모리 블록들 각각에 연결되는 복수의 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함할 수 있다. 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)은 비트라인들(BL)를 가로지르는 캐쉬 라인들(CWL)에 의해 제어될 수 있으며, 그 각각의 데이터 저장 크기는, 예를 들면, 페이지일 수 있다. According to some embodiments, the number of cache cells (CC) constituting each of the partial cache memory arrays (hereinafter referred to as " PCMA ") (hereinafter referred to as cache density) (Hereinafter referred to as storage density) of the memory cells MC constituting any one of the blocks of any one of the blocks. According to other embodiments, the cache density may be greater than the storage density. For example, as in the embodiments described with reference to Figures 71 and 72, the cache density may be twice the storage density. According to yet other embodiments, the cache density may be less than the storage density. For example, each of the partial cache memory arrays (PCMA) may be configured to store page data. 76, the semiconductor device may include a plurality of main memory blocks having a VG-NAND structure and a plurality of partial cache memory arrays (PCMA) connected to each of the main memory blocks. have. The partial cache memory arrays (PCMA) can be controlled by cache lines (CWL) across bit lines (BL), and their respective data storage sizes can be, for example, pages.

당업자에 의해 용이하게 변형 가능한 수준에서의 차이는 존재하지만, 도 39 내지 도 46을 참조하여 설명된 수직 채널 낸드 플래시 메모리의 동작 방법들은 도 76의 VG-NAND 구조의 예에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 이러한 동작 방법들에 대한 자세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함하는 실시예들이 (본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위한 예로서 제공된) 도 76의 예에 한정되는 것은 아니며, 상술한 설명들에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. Although there is a difference at a level that is easily deformable by those skilled in the art, the operating methods of the vertical channel NAND flash memory described with reference to FIGS. 39 to 46 are substantially the same as the example of the VG-NAND structure of FIG. 76 . Thus, for brevity's sake, a detailed description of these operating methods is omitted. On the other hand, embodiments including the distributed partial cache memory arrays (PCMA) are not limited to the example of FIG. 76 (provided as an example for better understanding of the present invention), and based on the above description And can be variously modified.

상기 캐쉬 밀도가 상기 저장소 밀도보다 작을 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각보다 큰 단위 면적을 갖는 메모리 요소를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 (에스램 또는 레이스트랙 메모리 등과 같은) 큰 면적을 갖는 메모리 요소들일 수 있으며, 상기 메모리 셀들(MC)은 (크로스포인트 메모리 또는 플래시 메모리 등과 같은) 작은 점유 면적을 갖는 메모리 요소들일 수 있다. When the cache density is smaller than the storage density, each of the cache cells CC may be implemented using a memory element having a larger unit area than each of the memory cells MC. For example, the cache cells CC may be memory elements having a large area (such as ESRAM or racetrack memory, etc.), and the memory cells MC may be small occupied (such as cross-point memory or flash memory) May be memory elements having an area.

일부 변형된 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 서로 다른 칩들 상에 각각 구현된 후, (예를 들면, 실리콘 관통 비아들을 통해) 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들면, 도 76의 예에서와 같이 상기 캐쉬 밀도와 상기 저장소 밀도 사이의 차이가 클 경우, 상술한 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC)의 크기를 증가시킬 수 있기 때문에, 이러한 전기적 연결에서의 어려움은 완화될 수 있다.
According to some modified embodiments, the main memory array (MMA) and the cache memory array (CMA) are each implemented on different chips and then electrically connected (e.g., via silicon through vias) . For example, as in the example of FIG. 76, when the difference between the cache density and the storage density is large, it is possible to increase the size of the cache cells CC as described above, Can be mitigated.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 상기 기판(SUB)의 상부에 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상부 또는 하부에, (예를 들면, 단일집적 방식으로) 집적된 칩의 내적 구조물(internal structure)일 수 있다. 이 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 수 내지 수십 마이크로 미터의 크기를 갖는 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어 등을 사용하여 연결되는 외부 메모리 칩과 구별될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 연결되는 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 수 내지 수십 nm의 폭을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 캐쉬 밀도가 상기 저장소 밀도보다 작을 경우를 제외하면, 상술한 캐쉬 밀도와 저장소 밀도 사이의 관계는 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들로부터 얻어지기 어렵다. According to some embodiments of the present invention, the cache memory array (CMA) may be implemented on top of the substrate SUB or above or below the main memory array (MMA) ) May be an internal structure of an integrated chip. In this case, the cache memory array (CMA) can be distinguished from an external memory chip connected using silicon-through vias or bonding wires having a size of several to several tens of micrometers. For example, the internal lines (VL or HL) connected to the cache cells (CC) may have a width of several to several tens of nanometers. Accordingly, the relationship between the above-described cache density and the storage density is difficult to obtain from the silicon-through vias or the bonding wires, except that the cache density is smaller than the storage density.

이에 더하여, 평면도의 측면에서 볼 때, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 셀 어레이 영역의 내부에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들(예를 들면, 수직 라인들(VL))에 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 (페이지 버퍼, 비트라인 디코더 또는 센싱 회로 등과 같은) 주변 회로를 경유하지 않고 상기 메모리 셀들(MC)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 외부 장치(예를 들면, CPU)로부터의 데이터 경로 길이에 있어서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 주변회로보다 길다는 점에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 주변회로에 대한 내부 구조물일 수 있으며, 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 반도체 칩의 내부에 제공된 라인들일 수 있다. 이와 달리, 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들은 적층된 칩들의 I/O 단자들을 연결하는 배선들로 사용된다는 점에서, 이들은 상기 적층된 칩들 각각의 주변회로에 대한 외부 구조물에 해당한다. In addition, in view of the plan view, the cache cells CC are connected to the connection lines (for example, the vertical lines VL) constituting the main memory array MMA in the cell array region, As shown in FIG. In other words, the cache cells CC can be electrically connected to the memory cells MC without passing through peripheral circuits (such as page buffers, bit line decoders or sensing circuits, etc.). As such, the cache memory array (CMA) may be configured such that the cache memory array (CMA) is longer than the peripheral circuit in the data path length from an external device (e.g., CPU) Structure, and the internal lines (VL or HL) may be lines provided inside the semiconductor chip. Alternatively, the silicon-through vias or bonding wires correspond to the external structure for the peripheral circuit of each of the stacked chips, in that they are used as interconnects connecting the I / O terminals of the stacked chips.

또한, 도 2, 도 8 내지 도 12, 그리고 도 60 내지 도 63에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 상기 기판(SUB)을 완전히 관통하지 않도록 형성되며, 그 길이는 상기 기판(SUB) 또는 그것을 포함하는 칩의 전체 두께보다 작을 수 있다. Further, as exemplarily shown in Figs. 2, 8 to 12 and 60 to 63, the internal lines VL or HL are formed so as not to completely penetrate the substrate SUB, May be less than the overall thickness of the substrate (SUB) or the chip comprising it.

그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 칩들이 실리콘-관통 비아 또는 웨이퍼 본딩 기술의 적용없이 구현되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 반도체 칩들은 상기 실리콘-관통 비아들을 사용하는 멀티-칩 패키지의 일부로서 제공될 수 있다.
Nevertheless, semiconductor chips according to embodiments of the present invention need not be implemented without the application of silicon-through vias or wafer bonding techniques. For example, semiconductor chips including the cache memory array (CMA) according to embodiments of the present invention may be provided as part of a multi-chip package using the silicon-through vias.

[효과][effect]

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC]), 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 초기화(S[IN])은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 전기적 접근없이 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터는 이 단계들에 의해 교란되지 않는다. 이에 더하여, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한, 페이지 단위의 반복적 접근 없이, 챕터 단위의 한번 접근을 통해 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 불필요한 접근(즉, 데이터 교란)을 줄일 수 있다. 그 결과, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 블록에 대한 정상적인 읽기 및 쓰기 동작 동안 발생하는 교란 동작의 횟수는, 도 77에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 실질적으로 동일할 수 있다. 같은 이유에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근에서 발생하는 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. According to some embodiments of the present invention, the CM read (S [RC]), CM write (S [WC]) and CM initialization (S [IN] Can be performed without access. Thus, the data stored in the memory cells MC is not disturbed by these steps. In addition, the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) can be accessed once per chapter without repeated access to the main memory array (MMA) Lt; / RTI > Thus, unnecessary access to the main memory array (MMA) (i.e., data disturbance) can be reduced. As a result, the number of disturbance operations occurring during normal read and write operations for one block of the main memory array (MMA) is substantially equal to the number (r) of chapters constituting each block, Can be the same. For the same reason, it is possible to reduce the energy consumption occurring in access to the main memory array (MMA).

이와 달리, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 또는 이를 이용하지 않는 종래의 읽기 및 쓰기 동작의 경우, 한 챕터의 데이터를 처리하기 위해서는 적어도 그 챕터를 구성하는 페이지의 수만큼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 반복적인 접근이 필요하다. 다시 말해, 종래 기술의 경우, 교란 동작의 횟수는 도 77에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 각 챕터를 구성하는 페이지들의 수(q)의 곱과 실질적으로 동일할 수 있다. 하지만, 이러한 숫자들은 본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위해 제공되는 것으로, 실제의 경우, 데이터 신뢰성 향상을 위한 추가적인 동작들(예를 들면, 확인(verify) 동작)에 의해 달라질 수 있다. Alternatively, in the case of conventional read and write operations performed without or using the cache memory array (CMA), in order to process data of one chapter, at least the number of pages constituting the main memory array MMA) is required. In other words, in the case of the prior art, the number of times of the disturbance operation is substantially equal to the product of the number (r) of chapters constituting each block and the number (q) of pages constituting each chapter, . However, these numbers are provided for a better understanding of the present invention and, in practice, may be varied by additional operations (e.g., verify operations) to improve data reliability.

상기 캐쉬 셀들(CC) 각각이 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 가질 경우, 각 챕터 데이터 전체를 독출하거나 기록하는데 소요되는 시간(이하, 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간)은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 이용하지 않는 종래 기술에 비해 감소될 수 있다. When each of the cache cells CC has a faster writing and / or reading speed than that of each of the memory cells MC, the time required for reading or writing the entire chapter data (hereinafter referred to as a chapter reading time and a chapter writing time May be reduced compared to the prior art that does not use the cache memory array (CMA).

예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 통상의 기술의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 페이지 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0)와 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱이다(~ q x T0). 이와 달리, 도 18 및 도 19의 읽기 방법의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 a) 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0')과 b) 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)로부터 읽는데 소요되는 시간(T1)과 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱의 합과 같다(즉, T0'+ q x T1). 여기서, T0'와 T0는 대략적으로 동일할 수 있으며, 따라서, 상기 챕터 읽기 시간은 대략 T0+ q x T1일 수 있다. For example, in the case of the conventional technique without the cache memory array (CMA), the chapter reading time is divided into a time T0 required for reading page data from the memory cells MC once and a number of pages q) (~ qx T0). 18 and 19, the chapter read time may include a) time (T0 ') required to read chapter data from the memory cells MC once and b) page data to the cache cells CC) is equal to the sum of the times T1 and q of each chapter (ie, T0 '+ qx T1). Here, T0 'and T0 can be approximately the same, and therefore, the chapter reading time can be approximately T0 + qxT1.

또한, 도 18 및 도 19의 읽기 방법과 비교할 때, 도 20 및 도 21의 쓰기 방법은 동작 순서에서의 차이는 있지만 상기 챕터 읽기 시간에서와 동일한 수학적 논리가 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 챕터 쓰기 시간은 도 20 및 도 21의 쓰기 방법의 경우 대략 T2+ q x T3로 주어지고, 종래 기술의 경우 q x T2로 주어질 수 있다(여기서, T2는 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)에 한번 쓰는데 소요되는 시간이고, T3는 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)에 한번 기록하는데 소요되는 시간이다). 20 and 21, the same mathematical logic as in the chapter read time can be applied although there is a difference in the operation order. Accordingly, the chapter writing time is given by approximately T2 + qx T3 in the case of the writing method of FIGS. 20 and 21, and can be given by qx T2 in the prior art (where T2 is the chapter data in the memory cells MC) And T3 is the time required to write the page data once to the cache cells CC.

따라서, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 대한 읽기 속도 T1 또는 쓰기 속도 T3가 상기 메모리 셀들(MC)의 그것들(T0 및 T2)보다 충분히 작다면, 도 78 및 도 79에 각각 도시된 것처럼, 상기 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간은 종래 기술에 비해 크게 감소될 수 있다. 예를 들면, 아래 표 1은 상기 메모리 셀들(MC)이 대략 25us 및 200us의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 플래시 메모리 셀이고, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 대략 10ns 및 10ns의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 RRAM 또는 STT-MRAM인 경우, 16 페이지를 포함하는 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 동작에 소요되는 시간을 보여준다. Therefore, if the read speed T1 or the write speed T3 for the cache cells CC is sufficiently smaller than those of the memory cells MC, respectively, as shown in FIGS. 78 and 79, The time and chapter writing time can be greatly reduced compared to the prior art. For example, Table 1 below shows that the memory cells MC are flash memory cells having read and write rates of approximately 25 us and 200 us, and the cache cells CC are RRAMs having read and write rates of approximately 10 ns and 10 ns, Or STT-MRAM, the time required for a read and write operation for a chapter including 16 pages is shown.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1을 참조하면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 시간(25.16us, 200.16us)은 상기 메모리 셀에 대한 한번의 읽기 및 쓰기 시간들(T0(25.00us), T2(200.00us))과 거의 차이를 갖지 않는다. 이에 따라, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 챕터 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 시간은 그렇지 않은 경우에 비해 한 챕터를 구성하는 페이지들의 수(표 1의 경우, 대략 16배)만큼 빨라질 수 있다.
Referring to Table 1, when the cache memory array (CMA) is included, the read and write times (25.16us, 200.16us) for one chapter are calculated based on one read and write times T0 us), T2 (200.00us). Accordingly, when the cache memory array (CMA) is included, the time for reading and writing the chapter data can be faster than the number of pages constituting one chapter (about 16 times in the case of Table 1) have.

[응용][Applications]

도 80에 도시된 것처럼, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 제품(1000)은 메모리 장치(1001) 및 상기 메모리 장치(1001)에 의존적으로 또는 독립적으로 동작하는 전자 부품(1002)을 포함할 수 있다. 상기 전자 제품(1000)은 (메모리 모듈, SSD, 프로세서, 컨트롤러, 또는 메모리 카드와 같은) 전자 부품, (모바일 기기, 웨어러블 기기, 이미지 기록/저장 장치, 노트북, 또는 컴퓨터와 같은) 개인용 전자 제품, 및 (데이터 센터, 서버 시스템, 클라우딩 시스템, 의료 기기, 군사 기기, 자동차, 선박, 또는 방송 장비 등과 같은) 복합 시스템의 형태로서 제공될 수 있다. 상기 메모리 장치(1001)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들 중의 적어도 하나를 포함하는 형태로서 제공될 수 있다. 상기 전자 제품(1000)이 전자 부품의 형태로 제공되는 경우, 상기 전자 부품(1002)은 커패시터, 저항, 코일, 반도체 칩(예를 들면, 컨트롤러), 및/또는 배선 기판 등의 형태로 제공될 수 있고, 개인용 전자 제품의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 안테나, 디스플레이, 제어 장치, 사용자 정보 입력 수단(예를 들면, 터치 패널) 및/또는 전원 등을 포함할 수 있고, 시스템의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 입출력 수단, 하우징 및/또는 전원 공급부 등을 포함할 수 있다. 80, an electronic product 1000 according to some embodiments of the present invention includes a memory device 1001 and an electronic component 1002 that operates independently or in dependence on the memory device 1001 . The electronic product 1000 may be an electronic component (such as a memory module, SSD, processor, controller, or memory card), a personal electronic device (such as a mobile device, a wearable device, an image recording / And in the form of complex systems (such as data centers, server systems, clouding systems, medical devices, military equipment, automobiles, ships, or broadcast equipment, etc.). The memory device 1001 may be provided in a form including at least one of the semiconductor devices according to the embodiments of the present invention described above. When the electronic product 1000 is provided in the form of an electronic component, the electronic component 1002 may be provided in the form of a capacitor, a resistor, a coil, a semiconductor chip (for example, a controller), and / In the case of a personal electronic device, the electronic component 1002 may include an antenna, a display, a control device, a user information input means (e.g., a touch panel) and / or a power source, The electronic component 1002 may include input / output means, a housing, and / or a power supply.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.

Claims (3)

3차원적으로 배열되어 블록 데이터를 저장하는 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이, 2차원적으로 배열되어 챕터 데이터를 저장하는 캐쉬 셀들을 포함하는 캐쉬 메모리 어레이, 1차원적으로 배열되어 페이지 데이터를 전송하는, 비트라인들을 포함하는 비트라인 구조체, 및 상기 비트라인 구조체를 통해 상기 캐쉬 메모리 어레이 연결되는 비트라인 디코더를 포함하는 반도체 장치를 동작하는 방법에 있어서,
상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 비트라인 디코더 사이의 데이터 교환은 한 페이지 또는 그 이하의 단위로 수행되고,
상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 메인 메모리 어레이 사이의 데이터 교환은 적어도 두 페이지 이상의 단위로 수행되는 반도체 장치의 동작 방법.
A main memory array including memory cells arranged three-dimensionally and storing block data, a cache memory array including cache cells arranged two-dimensionally and storing chapter data, And a bit line decoder coupled to the cache memory array via the bit line structure, the method comprising:
Wherein the data exchange between the cache memory array and the bit line decoder is performed in units of one page or less,
Wherein the data exchange between the cache memory array and the main memory array is performed in units of at least two pages.
청구한 1에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이에 대한 쓰기 동작은
상기 비트라인 디코더를 경유하여 입력되는 외부 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 캐쉬 쓰기를 적어도 한번 실시하는 단계; 및
상기 캐쉬 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 메인 메모리 어레이로 기록하는 캐쉬-메인 복사를 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.
Claim 1:
The write operation to the main memory array
Performing at least one cache write in which the external data input via the bit line decoder is written to the cache memory array in units of one page or less; And
And performing a cache-main copy in which data stored in the cache memory array is written to the main memory array in units of at least two pages.
청구한 1에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 동작은
상기 메인 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 메인-캐쉬 복사를 한번 실시하는 단계; 및
상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록된 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 비트라인 디코더로 전송하는 캐쉬 읽기를 적어도 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.
Claim 1:
The read operation to the main memory array
Performing a main-cache copy in which data stored in the main memory array is written to the cache memory array in units of at least two pages; And
And performing at least one cache read to transfer the data written to the cache memory array to the bit line decoder in a unit of one page or less.
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